투과전자현미경 음극형광 분석을 통한 GaN 기반 소자의 발광특성과 응력과의 상관관계에 대한 연구

Abstract

가속된 전자가 물체에 조사되었을 때 다양한 이차신호 (후방 산란 전자, 이차 전자, 특성 X-선 등)가 발생한다. 이와 같은 이차신호는 물질의 구조적, 화학적, 전기적 특성에 관한 정보를 포함하고 있다. 전자 현미경은 물체에 전자 빔을 조사함으로써 이와 같은 이차신호를 발생시키고 또한 감지하여 물질의 특성에 관한 정보를 제공한다. 이와 같은 다양한 이차신호 중, 음극형광 (Cathodoluminescence) 분석법은 적외선, 가시광선, 자외선 영역의 빛을 감지하고 분석하여 물질의 밴드갭 에너지 구조에 관한 정보를 제공한다. 본 연구에서는 투과전자현미경을 활용한 음극형광 분석법을 개발하여 물체의 내부 구조 (microstructure)와 광학적 특성의 연관성을 파악하고자 하였다. 우선 전자 빔과 시편의 반응에 의해 발생하는 빛을 수집할 수 있는 시스템을 개발하였다. 이를 위해 집광을 위한 요소 (미러, 렌즈, 광섬유 등)를 투과전자현미경 시편 스테이지에 배치한 집광 가능한 투과전자현미경 시편 스테이지를 개발하였다. 또한 음극형광에 의해 발생하는 빛의 양을 증가시키고 분광 분해능을 향상시키기 위해 액화질소를 활용한 냉각 시스템을 집광 가능한 투과전자현미경 시편 스테이지에 장착하였다. 이와 같이 개발된 투과전자현미경을 활용한 음극형광 분석 시스템을 활용하여 GaN 기반의 발광소자 내에 존재하는 미세구조의 광학적 특성을 분석하는 연구를 진행하였다. 우선 음극형광 분석 기법을 활용하여 GaN 박막 내에 존재하는 전위의 광학적 특성을 파악하고자 하였다. 일반적인 GaN 박막은 사파이어 등의 이종 기판에 성장시키는데, 이때 기판과 박막의 격자 상수 차이에 의해 발생하는 응력을 해소하기 위해 전위가 생성된다. GaN 박막 내에 존재하는 이 같은 전위의 band edge emission 음극형광 분광 이미지 (monochromatic, panchromatic spectral image)를 분석한 결과, 전위는 GaN 박막 내에서 비발광 부위 (non radiative recombination center)인 것을 확인할 수 있었다. 또한 전위가 일정하게 배열된 형태를 갖는 경각입계 (low-angle grain boundary)의 경우 또한 비발광 부위로 작용하여 소자의 발광 효율 저하의 원인이 될 수 있음을 확인하였다. 이와 더불어 GaN의 음극형광 스펙트럼에서 나타나는 yellow band emission에 관한 분석도 진행하였다. Yellow band emission 음극형광 분광 이미지 (panchromatic spectral image)를 분석한 결과, GaN 박막의 도핑 여부에 따라 전위 부근에서의 발광 특성이 달라짐을 확인하였다. 이를 통하여 yellow band emission이 전위에 기인하는 것이 아님을 간접적으로 확인할 수 있었다. 또한 투과전자현미경을 활용한 음극형광 분석 기법을 활용하여 단파장 발광소자에 주로 활용되는 InGaN 발광층의 밴드갭 에너지 분포에 관한 연구를 진행하였다. III-nitride 물질을 기반으로 하는 발광 소자의 경우 높은 전위 밀도를 가짐에도 불구하고 높은 발광효율을 나타내는 것으로 알려져 있다. 그 동안 이러한 현상을 설명하기 위해 많은 연구가 진행되어 왔는데, 대부분의 연구에서는 이 같이 높은 발광효율은 InGaN 발광층에서의 In 조성 불균일에 따른 밴드갭 에너지의 국부적 저하에서 기인한다고 보고하고 있다. 본 연구에서는 음극형광 분석을 통해 이와 같은 밴드갭 에너지의 불균일을 미세구조적인 증거를 제시하였다. 또한 그 동안 명확히 제시되지 못했던 전위가 InGaN 물질의 발광특성에 미치는 영향에 대한 연구를 진행하였다. 음극형광 분석을 통한 밴드갭 에너지 분포를 확인한 결과, 전위가 InGaN 발광층을 관통하는 부위에서 밴드갭 에너지가 증가됨을 확인하였다. 즉, 전위가 관통하는 부위에서 밴드갭 에너지 barrier가 형성되어 InGaN 층 내에 속박된 carrier들이 밴드갭 에너지가 증가된 부위에 위치할 확률이 낮아지게 된다. 따라서 이 같은 carrier들의 InGaN 발광층 내에서 전위에 의한 비발광 결합 확률의 저하가 InGaN 발광층을 갖는 소자의 높은 원인 중 하나임을 확인할 수 있다.