Metal organic chemical vapor deposition (MOCVB)법을 사용하여 sapphire (0001) 기판 위에 GaN 환충층을 성장하고, 그 위에 GaN 에피층을 성장하였다. GaN 완충층은 550˚C에서 약 26 nm에서 130 nm까지 각각 다른 두께로 성장하였고, GaN 에피층은 1100˚C에서 약 4 μm의 두께로 성장하였다. GaN 완충층 성장 후 atomic force microscopy (AFM)으로 표면 형상을 측정하였다. GaN 완충층의 두께가 두꺼워질수록 GaN 에피층의 표면이 매끈해지는 것을 scanning electron microscopy (SEM)으로 관찰하였다. 이것으로 GaN 에피층의 표면은 완충층의 두께와 표면 거칠기와 관계가 있다는 것을 알 수 있었다. GaN 에피층의 결정학적 특성을 double crystal X-ray diffraction (DCXRD)와 Raman spectroscopy로 측정하였다. 성장된 GaN 에퍼층의 광학적 특성을 photoluminescence (PL)로 조사한 결과 두께가 두꺼운 완충층 위에 성장된 에퍼층의 결정성이 더 좋은 반면, 내부 잔류응력은 증가하는 결과를 보였다. 이러한 사실들로부터 완충층의 두께가 두꺼워짐에 따라 내부 자유에너지가 감소하여 에피층 성장시 측면성장을 도와 표면이 매끈해지고, 결정성이 좋아졌다.

사파이어 (0001) 기판의 활성화 이온빔 (RIB) 처리 후 MOCVD에서 성장한 GaN박막의 열처리를 통한 구조 변화를 살펴보고, 전기적 성질의 변화를 관찰하기 위하여 전기로를 이용하여 열처리를 하였다. 시편의 분석을 위하여 DCXRD, Hall, TEM을 사용하였다. 1000˚C에서 시간을 변화시키면서 열처리한 시편에서 DCXRD의 FWHM는 약 50 arc-sec 정도 감소하였고, Hall 이동도는 약 80cm2/V.sec 정도 향상되었다. 가장 좋은 Hall 이동도를 보인 처리된 시편과 처리 전 시편의 TEM 비교 관찰에서 전위 밀도는 56~69% 정도 감소하였고 격자의 변형도 줄어들었다. 이것은 결정의 질과 전기적 성질 사이의 상관관계를 암시하며, 기판의 RIB 처리와 성장 후 적절한 열처리의 조합이 MOCVD로 성장시킨 GaN 박막의 특성을 개선시키는 것을 명확하게 보여준다.

고온에서 증발된 금속 갈륨 (Ga)을 암모니아 (NH3) 기체와 직접 반응시켜 사파이어 (α-Al2O3) 기판 위에 GaN 후막을 성장하였다. 성장된 GaN는 주로 [0002] 방향으로 성장하였으나 낮은 성장온도에서는 [1011] 방향의 성장이 관찰되었으며 V-형태를 가진 매우 거친 표면을 보였다. 그러나 성장온도가 증가하면 [1010]와 [1011] 방향으로 성장이 관찰되었으며 피라미드면을 가진 육방정 결정이 성장되었다. 성장된 GaN의 두께는 온도가 증가할수록 증가하였으나, 1270˚C의 고온에서는 열분해를 일으켜 두께가 감소하였다. 공급된 NH3의 유량이 증가할수록 GaN의 결정성과 광특성은 향상되었다. X-선 회절기 (X-ray diffraction)와 광루미네센스(photoluminescence) 분석결과로 GaN 후막이 (1010) 면으로 성장되면 황색발광이 증가됨을 관찰할 수 있었다.

BCI3/H2/Ar ICP(Inductively Coupled Plasma)를 이용한 GaN이 건식식각에 있어서 공정변수들이 식각 특성에 미치는 영향을 분석하고 적정조건을 도출하였다. 연구 결과 식각속도와 측벽수직도 공히 ICP 전력, bias 전압과 BCI3 조성의 증가, 공정압력의 감소에 의해 현저히 증가하며, 온도의 증가에 따라 다소간 증가하였고, 온도의 증가에 따라 다소간 증가하였고, BCI3조성이 가장 큰 영향을 미쳤다. 표면거칠기는 bias 전압 증가에 의해 크게 향상, BCI3 조성의 감소에 따라 향상되었으며 다른 변수는 큰 영향을 미치지 않았다. 결과적으로 ICP 전력 900W, bias 전압 400V, BCI3 조성 60%, 공정압력 4mTorr의 조건에서 175nm/min 정도의 CI2 사용 시와 유사한 높은 식각속도와 평탄한 표면이 얻어졌다. Bias 전압이 낮은 경우 식각 후 시료 표면에 GaCx로 추정되는 식각부산물이 관찰되었다.

TMGa와 유전체 장벽방전에 기초한 질소함유 활성종을 이용하여 (0001) 사파이어 기판위에 GaN 박막을 저온에서 성장시켰다. III-V 질소화합물 반도체의 에피막 성장에 있어서 암모니아는 유기금속 화학증착법에서 지금까지 알려진 가장 보편적인 질소 공급원이며 충분한 질소공급을 위해 1000˚C 이상의 고온 성장이 필수적이다. GaN 박막을 비교적 저온에서 성장시키기 위하여 질소 공급원으로 암모니아 대신 유전체 장벽방전을 이용하였다. 유전체 장벽방전은 전극사이에 유전체 장벽을 설치하여 arc를 조절하는 방전이며 수 기압의 높은 공정압력보다 훨씬 높으므로 기판표면까지 전달하는데도 이점이 있다. GaN 박막의 결정성과 표면형상은 성장온도, 완충층에 따라 변화하였으며, 700˚C의 저온에서도 우수한 (0001) 배향성을 갖는 GaN 박막을 성장할 수 있었다.

AIN과 저온 GaN 완충충율 이용하여 Si 기판 위의 후막 GaN의 성장특성을 조샤하였다. Si과 GaN의 격자부정합도와 열팽창계수의 차이를 줄이기 위해 AIN과 저온 GaN를 완충충으로 사용하였다. AIN은 RF sputter를 이용하여 중착온도와 증착시간 및 RF power에 따른 표면 거칠기를 AFM으로 조사하여 최척조건을 확립하여 사용하였다. 또한 저온에서 GaN를 성장시켜 이를 완충충으로 이용하여 후막 GaN의 성장시 미치는 영향을 살펴보았다. 성장온도와 V/III 비율이 후막 성장시 표면특성과 결정성 및 성장속도에 미치는 영향을 조사하였다. 후막 GaN의 표연특성 및 막의 두께는 SEM과 α-step을 이용하여 측정하였으며 결정성은 X-ray Diffractometer를 이용하여 조사하였다.

액상의 Ga으로부터 공급되느 기체상태의 Ga과 NH 3를 1050~1150˚C의 온도범위에서 직접 반응시켜 사파이어 기판위에 직경이 5~27μm이고, 높이가 2~27μm인 육각기둥 형태의 GaN 결정을 성장하였다. GaN 결정의 성장 초기에는 c-축 방향으로 우선 성장된 후 성장시간과 성장온도 및 NH3의 유량이 증가함에 따라 기체상태의 Ga공급이 제한됨으로써 성장률이 둔화됨과 동시에 α-축 방향으로 우선 성장되었다. GaN 결정의 크기가 증가함에 따라 결정의 품질이 개선되어 X-선 회절강도와 중성도너에 구속된 엑시톤 관력 발광밴드 (I?)의 강도가 증가하고, I? 발광밴드의 반치폭이 감소하였다.

MOCVD를 이용하여 SiO2로 패턴된 GaN/sapphire 기판상에서 NH3유량과 성장온도가 GaN 성장의 선택성과 성장 특성에 미치는 영향을 조사하였다. NH3유량을 500~1300sccm, 성장온도를 950~1060˚C로 변화시켜 성장변수에 따른 영향을 주사전자현미경으로 관찰하였다.NH3유량이 증가할수록 성장선택성이 향상되었으나 기판윈도우에서 성장되는 GaN 형상변화에는 큰 영향을 미치지 못하였다. 성장온도가 높을수록 GaN의 성장선택성이 향상됨이 관찰되었다. 패턴 모양을 원형, 선형, 방사선모양(선형 패턴을 30, 45˚로 회전)으로 제작하여 GaN 성장을 수행한 후 관찰한 결과 1101으로 이루어진 Hexagonal 피라밋 형상과 마스크층 위로의 측면성장을 얻을 수 있었으며, 성장조건에 따른<1100>와<1210>의 방향으로의 측면성장속도의 차이를 관찰할 수 있었다.

HVPE(hydride vapor phase epitaxy)법으로 (111) MgAl2O4기판 위에 10~240μm두께의 GaN를 성장하고, GaN의 두께에 따 광학적 성질을 조사하였다. MgAl2O4기판 위에 성장된 GaN의 PL 특성은 결정성장온도에서 기판으로부터 Mg이 out-diffusion하여 auto-doping 됨으로써 불순물이 첨가된 GaN의 PL 특성을 나타내었다. 10K의 온도데서 측정된 PL 스펙트럼은 자유여기자와 속박여기자의 재결합천이에 의한 피크들과 불순물과 관련된 도너-억셉터 쌍 사이의 재결합 및 이의 포논 복제에 의한 발광으로 구성되었으며, 깊은 준위로부터의 발광은 나타나지 않았다. 중성 도너에 속박된 여기자 발광 에너지와 라만 E2모드 주파수는 GaN의 두께가 증가함에 따라 지수 함수적으로 감소하였으며, GaN 내의 잔류 응력에 대하여 라만 E2 모드 주파수는δΩ=3.93σ(cm-1/GPa)의 관계로 변화하였다.

후막 GaN성장에 있어서 uniformity와 controllability를 향상시키기 위해 GaCI3를 이용한 수직형 HVPE(Hyderide Vapor Phase Epitaxy)를 자체 제작하여 후막 GaN의 성장특성을 조사하였다. 성장온도를 1000˚C에서 1075˚C까지 변화시키면서 성장된 GaN의 특성을 분석한 결과 온도가 증가할수록 표면특성과 광학적 특성은 향상되었으나 DCXRD( Double Crystal X-Ray diffractometer)의 FWHM(Full width of Half Maximum)은 온도와 무관하게 500-1000arcsec을 나타내었다. GaN의 성장이 1x1cm의 시편에 걸쳐 균일하게 이루어 졌으며, 또한 반응기 내부의 기하학적 특성이 시편의 표면특성과 성장속도에 많은 영향을 끼침을 알 수 있었다. 성장속도는 GaCI3의 유량에 비례하였으나, 1000˚C에서 1075˚C로 온도를 증가조건하에서 최대 28μm/hr의 GaN성장을 얻을 수 있었다.