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KR102012809B1 - 쌍정결함밀도의 평가방법 - Google Patents

쌍정결함밀도의 평가방법 Download PDF

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KR102012809B1
KR102012809B1 KR1020190040362A KR20190040362A KR102012809B1 KR 102012809 B1 KR102012809 B1 KR 102012809B1 KR 1020190040362 A KR1020190040362 A KR 1020190040362A KR 20190040362 A KR20190040362 A KR 20190040362A KR 102012809 B1 KR102012809 B1 KR 102012809B1
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홍순구
고시찹
르뒤덕
이정국
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충남대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 고가의 복잡한 장비를 사용하지 않더라도, 비숙련자에 의해서도 표준화된 방법에 의해 대면적 단결정 시료 중 쌍정결함밀도를 정량적으로 평가할 수 있는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단결정 시료 중 쌍정결함밀도를 평가하는 방법에 있어서, (A) 단결정의 관찰면을 에칭하여 에치핏을 형성하는 단계; (B) 쌍정결함에 의한 바 형태의 에치핏을 선별하는 단계; 및 (C) 상기 쌍정결함에 의한 에치핏의 장축방향 길이로부터 하기 수식에 의해 쌍정결함밀도를 평가하는 단계,
쌍정결함밀도 = ∑kx'i/시료의 면적,
이때, 2≤k≤3이고, x'i는 i번째 쌍정결함에 의한 에치핏의 장축방향 길이;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 쌍정결함밀도 평가 방법에 관한 것이다.

Description

쌍정결함밀도의 평가방법{Method for Evaluating Twin Defect Density}
본 발명은 고가의 복잡한 장비를 사용하지 않더라도, 비숙련자에 의해서도 표준화된 방법에 의해 대면적 단결정 시료 중 쌍정결함밀도를 정량적으로 평가할 수 있는 방법에 관한 것이다.
전력 반도체는 전기 에너지의 활용을 위하여 직류·교류 변환, 전압, 주파수 변화 등의 제어 처리를 수행하는 반도체로, 전기로 작동하는 제품의 작동여부와 성능을 결정짓는 핵심 부품이다. 전력 반도체는 가정용 전자제품에서 엘리베이터, 지하철, 산업용 기계까지 광범위하게 사용되며, 스마트 그리드, 전기 자동차, 사물인터넷과 같은 신산업의 성장과 맞물려 신규 수요가 급성장하고 있다.
초기 전력 반도체 소자는 실리콘(Si)을 기반으로 하였으나, 물성의 본질적인 한계로 인하여 기술발전 대비 성능개선의 한계에 도달하였다. 이에 넓은 밴드갭(WB, wide bandgap)을 갖는 질화갈륨(GaN, 3.4 eV)과 탄화규소(4H-SiC. 3.3 eV)가 대안으로 제시되었다. 특히 질화갈륨은 높은 임계전압, 높은 전자이동도, 높은 전자포화속도 등 다른 반도체 물질에 비해 우수한 물질적 특성을 가지고 있어 고주파, 고전력 및 고온의 반도체 소자로 널리 이용되고 있다. 그러나 질화갈륨은 저가의 대면적 기판 공급이 용이하지 않기 때문에 현재 상용화되어 있는 질화갈륨 전력반도체 소자는 실리콘 기판 상에 성장된 헤테로에피탁시 박막을 이용한다. 이로 인해 결함밀도가 높고, 임계전압이 600~900 V 수준으로 제한된다는 문제가 있다. 탄화수소는 6인지 단결정 기판이 상용화되어 있으나, 2800℃ 이상의 고온에서 기상성장되기 때문에 기판 가격이 비싸고, 경도가 높아 가공이 어려울 뿐만 아니라 가공 공정이 복잡하고 비용이 많이 든다는 단점이 있다.
최근에는 질화갈륨과 탄화규소와 비교하여 파워 퍼포먼스 측면에서 더욱 우수한 효율을 갖는 산화갈륨(갈륨옥사이드, Ga2O3)이 차세대 전력 반도체 소자의 소재로 주목받고 있다. 산화갈륨은 질화갈륨보다 더 넓은 UWB(ultra-wide bandgap, 4.9~5.1 eV) 특성을 나타내어, 박막의 두께를 질화갈륨이나 탄화규소의 1/3 수준으로 얇게 성장시켜도 질화갈륨이나 탄화규소 수준의 항복전압 특성을 나타낼 수 있다. 또한, 용융성장(melt growth) 방법으로 단결정 성장이 가능하고 실온에서의 도핑이 가능하므로 제작 비용이 절감될 수 있으므로 질화갈륨이나 탄화규소 대비 제조비용이 1/3~1/5 수준으로 경제적이며, 대면적 기판의 제작이 가능하여 전력 반도체를 위한 이상적인 소재로 주목받고 있다. 실제로 산화갈륨 기판은 향후 사파이어 기판과 비슷한 저렴한 비용으로 제작이 가능할 것으로 전망되고 있다. 특히 질화갈륨이나 탄화규소 대비 우수한 물성으로 항복전압이 2 kV 이상인 100 kW 급의 고전력이 필요한 분야에 대한 활용성이 매우 높을 것으로 기대된다.
단결정 물질은 종래 아몰퍼스 실리콘과는 달리 다원성에 기인한 조성의 어긋남, 구조의 흔들림과 같은 결정 결함이 발생할 수 있다. 결정 결함은 결함으로 인한 형태의 차원으로 분류한다. 즉, 점결함(0차원 결함)은 결정 격자 자리에 다른 원자가 위치하거나, 혹은 공공이 형성되거나 결정 격자가 아닌 위치에 원자가 위치한 것이다. 선결함(1차원 결함)은 결정에서 원자의 줄이 도중에 사라지거나 혹은 비뚤어져서 원자들이 비정상적으로 배열되는 결함으로 통상 전위 결함으로 불린다. 칼날 전위, 나사 전위 등이 이에 해당한다. 쌍정결함은 면결함(2차원 결함)의 하나로 결정의 배열이 쌍정면을 기준으로 대칭으로 배열되는 것이며, 이외에도 적층결함이나 결정립계가 면결함에 해당한다. 결정 내에 석출물이 있다면, 이는 체결함(3차원 결함)이라 한다. 결정 결함은 기계적 강도에 영향을 미칠 뿐 아니라, 캐리어 이동도를 감소시키며, 누설전류를 증가시키고, 역치전압을 감소시키는 것과 같이 반도체 특성을 열화시키는 원인이 된다. 따라서 단결정 또는 단결정 박막의 성장 방법에 따른 결함의 종류와 생성정도(결함밀도)를 분석하는 것은 결정 성장 방법의 유효성을 평가하고, 결정 성장 조건을 최적화하여 고품질 결정성장 기술을 개발하는데 있어 매우 중요하다.
단결정 또는 단결정 박막의 결함밀도를 측정하는 방법으로는 캐소드 발광법, 시간분해 포토발광법, 에칭법, X-선 토포그라피, TEM 또는 AFM 관찰 등 여러 방법이 있다. 이 중 에칭법은 에칭에 의해 형성된 에치핏을 광학현미경으로 관측하는 것에 의해, 숙련된 기술자가 아니라도 표준화된 방법에 의해 대면적의 단결정 또는 단결정 박막의 결함을 측정할 수 있다. 이에 일본특허공보 제4758492호는 에치핏의 최대 깊이, 평균 깊이, 깊이 곡률 등을 측정하고 이로부터 각 에치핏과 관련된 결함의 종류를 판별하여 결함의 종류별 결함밀도를 측정하는 방법을 게시하였다. 그러나, 종래 기술에서 에치핏으로부터 계산되는 결함밀도는 1차원결함인 전위결함에 한정된다. 전위결함에 대한 결함밀도는 고려하는 시료의 전체 부피에 존재하는 전위선의 길이의 합으로부터 계산되며 전위선 길이 합/부피로 구할 수 있다. 그러나 전위선이 시료의 바닥에서부터 위로 수직으로 올라오는 경우 (이러한 전위를 전파전위라 함) 전위선의 길이와 시료의 높이가 같아져 상쇄되므로 결국 전위밀도는 단위 면적당 전위에서 생성된 에치핏의 수로 계산하며 단위는 cm-2이다. Kasu 등(Jpn. J. Appl. Phys 56, 091101 (2017))은 에치핏으로부터 단결정 산화갈륨에 포함된 결함 밀도를 계산하고, 전기적 특성과의 연관성을 평가하였으나 역시 전위결함에 한정된다. Lebedev 등(Physica B 404 (2009) 4758)은 쌍정결함의 경계에서 다양한 결정결함이 크게 증가할 수 있음을 보고하였다. 종래 쌍정결함에 대해서는 X-선 토포그라피에 의해 결함밀도를 분석하는 방법이 제시되었으나 고가의 장비를 사용하여야 함은 물론, 회사나 실험실 수준에서 갖추기 어려운 방사광 가속기 시설을 사용하는 것이 일반적이고, 숙련된 전문인력에 의해서만 분석이 가능하다는 문제가 있으며, TEM으로 분석하는 경우에는 분석 가능한 범위가 매우 좁은 영역에 한정되므로 쌍정결함밀도가 높은 경우에만 제한적으로 이용가능하다는 문제가 있다. 현재까지 쌍정결함의 결함밀도를 에치핏 생성과 같은 방법으로 간편하게 측정할 수 있는 방법은 아직 제안된 바 없다.
일본특허공보 제4758492호
Kasu 등, Jpn. J. Appl. Phys 56, 091101 (2017). Lebedev 등, Physica B 404 (2009) 4758.
본 발명은 고가의 장비를 사용하지 않더라도 표준화된 간단한 방법에 의해 비숙련자에 의해서도 대면적 시료에 대해 쌍정결함밀도를 정량적으로 평가할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 단결정 시료 중 쌍정결함밀도를 평가하는 방법에 있어서, (A) 단결정의 관찰면을 에칭하여 에치핏을 형성하는 단계; (B) 쌍정결함에 의한 에치핏을 선별하는 단계; 및 (C) 상기 쌍정결함에 의한 에치핏의 장축방향 길이로부터 하기 수식에 의해 쌍정결함밀도를 평가하는 단계,
쌍정결함밀도 = ∑kx'i/시료의 면적,
이때, 2≤k≤3이고, x'i는 i번째 쌍정결함에 의한 에치핏의 장축방향 길이;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 쌍정결함밀도 평가 방법에 관한 것이다.
상기 에칭은 강산이나 강염기의 에칭용액으로 시료를 고온에서 처리하는 것에 이루어질 수 있다. 에칭용액으로는 인산이나, 염산, KOH 등을 예로 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 에치핏은 에칭 시 결정 내 결함이 있는 부분이 더 빠르게 에칭되어 생기는 홈으로 결함에 따라 다른 양상을 나타낸다. 이제까지 에치핏은 전위결함에 초점을 맞춰 연구되어 왔으며, 쌍정결함에 의한 에치핏이나 이를 이용하여 쌍정결함밀도를 정량적으로 평가하려는 시도는 없었다.
에치핏의 분석 결과, 쌍정결함에 의한 에치핏은 바 형태를 나타내었으며, 추가적인 분석에 의하면 에칭시간이 경과함에 따라 단축방향의 길이인 폭은 증가하나, 장축방향의 길이는 변화가 없었다. 하기 실시예에서 상세하게 설명한 바와 같이 쌍정결함의 밀도는 시료내 포함된 에치핏의 장축방향 길이의 합으로부터 계산될 수 있다.
상기 단결정 시료는 산화갈륨 단결정 기판 또는 산화갈륨 단결정 박막일 수 있다. 산화갈륨의 에피층 성장을 위한 단결정 기판으로는 (010), (100), (001) 및 (-201) 기판이 존재한다. 이 중 (100)기판은 에피층의 성장 속도가 너무 느리기 때문에 단결정 성장을 위한 기판으로 효용성이 낮다. (010) 기판은 에피층의 성장속도는 느리지 않으나, 현재 가능한 기판의 크기가 10 mm × 15 mm로 양산용 소자에 적용하는데 제한이 있다. (001) 기판은 분자선 에피탁시의 경우 성장속도가 다소 느리기는 하지만 2인치 크기의 기판이 상용화되어 있어 현재로서는 에피층의 성장에 가장 유용하다. (-201) 기판은 현재 6인치 기판이 상용화되어 있고, 에피층의 성장 속도 역시 유용한 정도이나 쌍정결함이 발생한다는 문제가 있다. 따라서 본 발명의 방법은 특히 산화갈륨(-201) 기판에서 성장된 산화갈륨 에피층 중에서의 쌍정결함밀도의 평가에 사용될 수 있다. 본 발명의 방법에 의하면, 산화갈륨(-201) 기판에서 쌍정결함 생성 정도를 줄일 수 있도록 산화갈륨 에피층의 성장조건을 최적화하는데 유용하게 사용할 수 있으므로, 산화갈륨(-201) 기판의 유용성을 증가시킬 수 있다. 산화갈륨(-201) 기판에 성장된 산화갈륨 에피층에서 쌍정결함에 의한 에치핏의 장축방향은 [010] 방향이다.
이상과 같이 본 발명의 쌍정결함밀도 평가 방법에 의하면 시료를 단순히 에칭한 후 광학현미경으로 관측하는 것에 의해 쌍정결함밀도를 정량적으로 평가할 수 있으므로, 단결정 또는 단결정 박막 시료의 분석에 유용하게 사용될 수 있다.
따라서 상기 쌍정결함밀도 평가 방법은 예를 들면, 반도체 소자의 제조를 위한 결정 또는 박막 성장 조건에서 쌍정결함을 줄일 수 있는 최적화된 조건의 설정 등에 효율적으로 이용될 수 있다.
산화갈륨(-201) 기판은 산화갈륨 에피층 성장을 위한 박막으로 사용 시, 약 6인치 크기의 대면적 기판 생산이 가능하고, 경제성도 있으며, 기판 상에 에피층의 성장 속도 역시 산업화에 적용하기 유리하나 성장된 에피층 중 쌍정결함밀도가 높다는 문제가 있다. 따라서, 본 발명의 쌍정결함밀도 평가방법은 특히 산화갈륨(-201) 기판을 이용한 산화갈륨 에피층 성장 방법 개발에 매우 유용하다.
도 1은 실시예에 의한 산화갈륨 박막의 RHEED 패턴을 보여주는 이미지.
도 2는 실시예에 의한 산화갈륨 박막의 XRC.
도 3은 실시예에 의한 산화갈륨 박막의 X-TEM 이미지.
도 4는 실시예에 의한 산화갈륨 박막의 AFM 이미지.
도 5는 에칭 시간에 따른 산화갈륨 박막의 광학현미경 이미지.
도 6은 총알 모양 에치핏의 근원 분석을 위한 SEM 및 TEM 이미지.
도 7은 바 형태 에치핏의 근원 분석을 위한 SEM 및 TEM 이미지.
도 8은 쌍정결함을 보여주는 평면 TEM 이미지와 모식도.
도 9는 바 형태 에치핏의 근원 분석을 위한 TEM 이미지.
도 10은 쌍정결함 유래의 에치핏을 보여주는 모식도.
이하 첨부된 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
[실시예]
실시예 1 : 산화갈륨 박막의 제조
상용 산화갈륨(-201) 기판을 아세톤, 메탄올 및 탈이온수(DI water)를 사용하여 순차적으로 10분씩 초음파 교반하여 세정하였다. 세정된 기판을 5분 동안 탈이온수와 30% 과산화수소수와 96% 황산의 부피비 1:1:4 혼합물로 화학적으로 세정한 후, 탈이온수로 추가 세정하고 질소 가스를 사용하여 건조시켰다. 건조된 기판을 플라즈마 보조 분자선 에피텍시(Plasma Assisted Molecular Beam Epitaxy) 성장 챔버에 도입하고, 300W의 RF 전력 및 2 sccm의 산소 가스 유량을 사용하여 여기된 플라즈마로 생성된 산소 라디칼을 사용하여 850℃에서 30분 동안 열적 세정하여 기판을 준비하였다.
기판이 장착된 플라즈마 보조 분자선 에피텍시 성장 챔버 내에 미국 Veeco 사의 Sumo 분출셀 (Effusion cell)을 통하여 7N 순도의 원소 갈륨(Ga)을 공급하였으며, 미국 SVAT 사의 플라즈마 셀에 산소를 흘려 플라즈마에 의해 산소 라디칼을 생성시켜 공급하여 플라즈마 보조 분자선 에피텍시 방법에 의해 산화갈륨 박막을 성장시켰다. 박막성장 조건은 다음과 같다; 기판 온도 650~850℃, 산소 가스 유량 1~3sccm, Ga flux 0.1 Å/s, 박막 성장 시간 180분, 가스 도입 전 성장 챔버 압력 약 2×10-9 Torr, 성장 시 압력 2×10-5 Torr ~ 4×10-5 Torr.
실시예 2 : 산화갈륨 에피 박막의 특성 평가
결정 결함의 평가에 앞서, 실시예 1의 분자선 에피텍시 방법에 의해 산화갈륨 에피박막이 성장되었음을 먼저 확인하였다.
1) XRD, RHEED 및 X-TEM 분석을 통한 결정구조 분석
실시예 1에 의해 성장된 박막의 결정구조를 반사고에너지전자회절(RHEED, Reflection High Energy Electron Diffraction) 및 X-선 산란분석(XRD, X-ray Diffraction)으로 분석하였다.
RHEED는 전자에너지 전압 18V, 빔전류 39 μA의 조건에서 분석하였으며, XRD는 독일 Bruker AXS사 D8 Discover model을 사용하여 λ=1.5406 nm인 Cu의 Kα X-ray, 전압 40kV, 전류 40mA, 스캔 step 0.02, Step 시간 0.5s의 조건에서 분석하였다. 도 1은 성장 시간에 따른 박막의 RHEED 이미지이며, 도 2는 180분 동안 성장된 박막에서 [010]면과 [102]면의 XRC(X-ray rocking curve)를 나타낸다. 도 1과 도 2의 결과로부터 실시예 1에 의해 성장된 박막은 단사정(monoclinc) 결정구조로 결정성이 우수함을 확인할 수 있다.
도 3은 박막의 X-TEM 이미지로, 기판과 에피층 사이의 계면이 관측되지 않으며, 마찬가지로 결정성이 우수함을 보여준다.
2) 박막의 표면 거칠기 측정
박막의 성장 시간에 따라 원자력현미경(AFM, Atomic Force Microscope, Asylum Research사 MFD-3D model)을 사용하여 스캔면적 10μm×10μm, 5μm×5μm, 2μm×2μm, 스캔속도 1Hz, 구동주파수 70kHz의 조건에서 제곱근평균 거칠기 값으로 표면거칠기를 측정하였다. 도 4는 180분 동안 성장된 산화갈륨 박막의 표면거칠기를 보여주는 AFM 이미지로, 위에서부터 순서대로 10μm×10μm, 5μm×5μm, 2μm×2μm 스캔 면적을 나타낸다. 2μm×2μm 스캔 면적의 경우 약 1 nm 수준의 평탄한 RMS (Root Mean Square) 거칠기를 가지는 것을 확인할 수 있다.
실시예 3 : 에치핏 분석
실시예 1의 방법으로 제조한 산화갈륨 에피층을 130℃ 인산으로 에칭하고, 에칭된 표면을 광학현미경으로 관측하였다. 광학현미경 관측은 Nikon 사의 Eclipse LV100ND 모델을 사용하여 1000배에서 실시하였다. 도 5는 에칭 시간에 따른 광학현미경 이미지로 5분간 에칭한 경우에는 바 형태의 에치핏이 주로 관측되지만, 에칭 시간이 증가함에 따라 바 형태의 에치핏과 함께 총알 모양의 에치핏이 형성되는 것을 보여준다. 이에 각각의 에치핏의 근원을 분석하였다.
1) 총알 모양의 에치핏
단결정 산화갈륨 에피층 표면에 에칭에 의해 생성된 [102] 방향으로 놓인 총알 모양의 에치핏의 근원을 확인하기 위하여 FIB(Focused Ion Beam) 방법으로 시편을 제작하고 TEM으로 관측하였다. 도 6의 (a)는 FIB 방법에 의해 단면 TEM 시편을 제작하는 과정 중의 SEM 이미지이며, (b)는 (a)에서 최종 완성된 단면 TEM 시편의 선택된 에치핏을 보여주는 저배율 단면 명시야 TEM 이미지이고, (c)는 (b)의 다섯번째 및 여섯번째 에치핏 부분의 단면 명시야 TEM 이미지로 총알모양 에치핏의 근원은 전파전위(TD, threading dislocation)임을 알 수 있다. (d)~(f)는 전파 전위 분석을 위한 two-beam 분석결과를 명시야상으로, (d)는 zone axis, (e)는 회절벡터 g=20-2, (f)는 회절벡터 g=0-20 조건에서 관측한 결과이다. 전위의 가시/비가시 조건을 고려하면 상기 전파전위의 버거스벡터는 [010]임을 알 수 있다. 따라서 본 전파전위의 타입은 칼날전위로 분석된다.
2) 바 형태의 에치핏
도 5에서 [010] 방향으로 길게 형성된 바 형태의 에치핏은 에칭 시간이 경과하여도 에치핏의 수는 변화가 없었으며, [102]방향의 두께는 증가하지만, [010] 방향의 길이에는 변화가 없었다.
도 7의 (a)는 FIB 방법에 의해 단면 TEM 시편을 제작하는 과정 중의 SEM 이미지이며, (b)는 (a)에서 최종 완성된 단면 TEM 시편의 세 개의 에치핏을 보여주는 저배율 단면 명시야 TEM 이미지이고, (c)는 (b)의 첫 번째 에치핏을 보여주는 단면 명시야 TEM 이미지이다. (d)는 (c)의 에치핏에 대한 고배율 명시야 TEM 이미지로 쌍정결함의 경계가 에피층의 표면과 만나는 곳에서 에치핏이 형성되었음을 보여준다. 에치핏 사이의 간격은 약 190 nm로 도 5의 광학현미경 또는 (a)의 SEM 이미지에서는 이 한 쌍의 에치핏이 하나의 에치핏으로 관찰됨을 알 수 있다. (e)는 쌍정 부분의 고분해능 TEM 사진으로 기지(matrix)와 결함부분이 쌍정관계(거울면 대칭)임을 보여주어, 해당 결함이 쌍정결함임을 확인할 수 있다.
도 8의 (a)는 FIB 방법으로 제작된 (-201) 평면 저배율 TEM 사진이다. 여기서[010] 방향으로 길쭉하게 쌍정결함 (사각형 부분)이 존재하는 것을 보여준다. 쌍정결함에 대한 도 7의 (d)의 단면 TEM 관찰결과와 도 8의 (a)의 평면 관찰결과로부터 시료내에 존재하는 쌍정결함의 모습을 개략적으로 도 8의 (b)에 명시하였다.
도 9는 해당 결함이 쌍정결함임을 보여주는 추가적인 결과로, (a)는 산화갈륨 에피층에 생성된 결함 영역에 대한 단면 명시야 TEM 이미지이며, (b)는 정상 결정 기지에서의 회절패턴을, (c)는 결함 영역의 회절 패턴이다. (b)와 (c)의 회절패턴을 비교하면, 기지와 결함 영역이 쌍정관계로 상기 결함은 쌍정결함에 해당한다.
3) 쌍정결함 밀도의 계산
종래 기술에서 에치핏으로부터 전위결함 밀도를 계산하는 방법은 알려져 있으나, 쌍정결함 밀도를 계산하는 것은 알려진 바가 없다. 특히 산화갈륨(-201) 기판은 대면적 기판의 공급이 용이하고, 산화갈륨 에피층의 결정 성장 속도가 빠르나, 에피층 중 쌍정결함의 발생이 높은 약점이 있다. (-201) 기판에서의 쌍점결함을 정량적으로 평가할 수 있다면 쌍정결함을 감소시켜 우수한 특성의 에피층을 성장시키는 방법의 개발에 더욱 효과적이다. 이에 관측된 에치핏으로부터 쌍정결함 밀도를 정량적으로 계산하는 방법을 개발하였다.
도 10은 쌍정결함 유래의 에치핏을 보여주는 모식도이다. 쌍정결함은 경계면이 결함으로 작용하므로 쌍정 부분의 경계면의 면적으로부터 결함밀도를 계산할 수 있다. 전체 부피가 V(V=xyz)인 시료 중 쌍정결함 하나의 경계면적 TWB-S1은 다음과 같이 정의된다.
x'는 대략 10 ㎛ 단위이고, y'는 수백 nm 단위이므로,
x'>>y'이고,
따라서, TWB-S1 = 2x'z + 2y'z + x'y'
= 2(x'+y')z + x'y' ~ 2x'z + x'y' = x'(2z + y')
0<y'≤z이므로,
TWB-S1 = kx'z (2≤k≤3)
예를 들어,
1) 시료가 기판이라면,
z는 기판의 두께로 매우 큰 값을 가지므로, z>>y'이다.
TWB-S1 = x'(2z + y') ~ 2x'z, 즉, k는 2에 수렴하며,
2) 시료가 박막이라면,
z는 박막의 두께인 y'와 비슷한 수준으로 z~y'이다.
TWB-S1 = x'(2z+y') ~ 3x'z, 즉, k는 3에 수렴한다.
시료 중 쌍정결함밀도 TWBD = 시료 중 쌍정경계면적의 총 합 / 시료의 부피 = ∑kx'iz/xyz = ∑kx'i/xy (2≤k≤3)
즉, 시료 중 쌍정결함밀도는 시료 중 쌍정결함에 의한 에치핏의 길이의 합과 시료의 단면적으로부터 간단하게 계산할 수 있다. 만일, 시료의 두께가 일정한 상태로 박막 형성의 특정 조건만을 바꾸는 경우에는 k를 상수로 볼 수 있으므로, 단위 면적당 에치핏의 길이의 합을 구하는 것만으로도 쌍정결함밀도를 정량적으로 비교하는 것이 가능할 것이다.

Claims (6)

  1. 단결정 시료 중 쌍정결함밀도를 평가하는 방법에 있어서,
    (A) 단결정의 관찰면을 에칭하여 에치핏을 형성하는 단계;
    (B) 쌍정결함에 의한 에치핏을 선별하는 단계; 및
    (C) 상기 쌍정결함에 의한 에치핏의 장축방향 길이로부터 하기 수식에 의해 쌍정결함밀도를 평가하는 단계,
    쌍정결함밀도 = ∑kx'i/시료의 면적
    (이때, 2≤k≤3이고, x'i는 i번째 쌍정결함에 의한 에치핏의 장축방향 길이);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 쌍정결함밀도 평가 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (B) 단계의 쌍정결함에 의한 에치핏은,
    바 형태로 에칭시간의 경과에 따라 단축방향 길이인 폭은 증가하나, 장축방향 길이는 변하지 않는 것을 특징으로 하는 쌍정결함밀도 평가 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 단결정 시료가 기판인 경우에는 k=2이며, 박막인 경우에는 k=3인 것을 특징으로 하는 쌍정결함밀도 평가 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 단결정 시료는 산화갈륨 단결정 또는 산화갈륨 단결정 박막인 것을 특징으로 하는 쌍정결함밀도 평가 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 산화갈륨 단결정 박막은 산화갈륨(-201) 단결정 기판 상에 형성된 에피층인 것을 특징으로 하는 쌍정결함밀도 평가 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 쌍정결함에 의한 에치핏의 장축방향은 [010] 방향인 것을 특징으로 하는 쌍정결함밀도 평가 방법.
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