The study of evaluating surface characteristics and effect of thermal annealing process for AlN single crystal grown by PVT method

PVT법으로 성장된 AlN 단결정의 표면 특성 평가 및 고온 어닐링 공정의 효과에 대한 연구

To evaluate surface characteristics and improve crystalline quality of AlN single crystal grown by physical vapor transport (PVT) method, wet chemical etching process using $KOH/H_2O_2$ mixture in a low temperature condition and thermal annealing process was proceeded respectively. Conventional etching process using strong base etchant at a high temperature (above $300^{\circ}C$) had formed over etching phenomenon according to crystalline quality of materials. When it occurred to over etching phenomenon, it had a low reliability of dislocation density because it cannot show correct number of etch pits per estimated area. Therefore, it was proceeded to etching process in a low temperature (below $100^{\circ}C$) using $H_2O_2$ as an oxidizer in KOH aqueous solution and to be determined optimum etching condition and dislocation density via scanning electron microscope (SEM). For improving crystalline quality of AlN single crystal, thermal annealing process was proceeded. When compared with specimens as-prepared and as-annealed, full width at half maximum (FWHM) of the specimen as-annealed was decreased exponentially, and we analyzed the mechanism of this process via double crystal X-ray diffraction (DC-XRD).

PVT법으로 성장된 AlN 단결정의 표면 특성 및 결정성을 신뢰성 있게 평가하기 위해 $KOH/H_2O_2$ 혼합액을 이용한 화학적 습식 에칭을 통하여 AlN 단결정의 결함을 분석하였고, 고온 어닐링 공정을 통해 단결정의 결정성 변화를 관찰하였다. $300^{\circ}C$ 이상의 고온에서 강 염기성의 etchant를 사용하는 기존 에칭 방법에서는 재료의 결정성에 따라 쉽게 over etching이 일어난다. Over etching이 일어날 경우 면적당 정확한 에치 핏의 개수를 알 수 없기 때문에 전위 밀도의 신뢰성이 매우 떨어진다. 따라서 이러한 단점을 보완하기 위해 KOH 수용액에 $H_2O_2$를 산화제로 사용하여 $100^{\circ}C$ 이하의 저온에서 에칭을 성공하였으며, 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope)을 통해 에치 핏을 관찰하여 최적 에칭 조건 및 전위 밀도를 확인할 수 있었다. 또한, 성장된 AlN 단결정에 고온 어닐링 공정을 적용한 후, DC-XRD(double crystal X-ray diffraction)를 이용하여 결정성을 평가한 결과, 고온 어닐링 공정 후 FWHM(full with at half maximum) 값이 급격히 감소되는 것을 확인하였으며 이에 대한 메커니즘을 분석하였다.