<반도체백과사전> Strained-Layer Superlattice(SLS)의 역할과 응용, Misfit dislocation과 Critical thickness

Strained-Layer Superlattice(SLS)의 역할과 응용, Misfit dislocation과 Critical thickness

  앞​서, LED구조의 buffer layer를 설명하면서 dislocation density(defect)를 줄이는 것이 중요하다고 했다. 그리고, layer의 두께를 두껍게 함으로써 dislocation이 annihilation(상쇄)됨에 따라 dislocation density를 줄일 수 있다고 했다. 이것이 dislocation density를 줄이는 첫 번째 방법!

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  자, 그렇다면 오늘의 포스팅은 dislocation density를 줄이는 두 번째 방법! "Strained-layer Superlattice"를 통해 dislocation density를 줄이는 것을 설명해 볼 것이다. 이것저것 많이 등장해서 헷갈릴 수 있으나 내용자체가 어려운 것은 아니라서 차근차근 잘 읽어보면 이해가 잘 될 것이다.

 

 

Strained-Layer Superlattice(SLS)란?

 

  정의부터 내려볼까? 글자그대로 해석하면 "응력이 쌓여있는 아주 얇은 격자 층." 이해를 위해 지난 시간 LED구조를 다시 한 번 그려보면서 설명해보겠다.

LED structure 단면

 

  지난 포스팅에서 3차원으로 나타냈던 것을 2차원으로 그려보면 위와같고, 위에 노랗게 표시한 부분이 이제부터 설명할 buffer layer! 확대해서 그려보면 다음과 같다. 두가지 재료를 critical thickness이하(50nm정도)의 두께로 10~30쌍 정도 성장시키면 그것이 Strained-layer Superlattice이다. 그럼 왜 "Superlattice"인지는 이해가 갔을 것이고(층의 두께가 얇으니까), "Strained"에 대해 설명해보겠다.

Strained-layer Superlattice

  다른 두 재료사이에는 결정계면(interface)이 존재한다. 그리고 3가지 요인에 의해 응력이 쌓이거나 결함이 발생하는데, 우리는 지금 LED구조를 공부하고 있으니 substrate와 epitaxial layer사이에 발생하는 차이라고 해두자.

 

≠ thermal expansion coefficient

≠ lattice parameter

≠ crystal structure

 

  열팽창계수, 격자상수, 결정구조. 이렇게 3가지가 두 재료 사이에 발생하는 차이고 이것이 dislocation generation의 원인이다. 다시 말해서, 3가지 차이에 의해 lattice mismatch stress가 발생하는데, 이를 dislocation을 만들어줌으로써 완화(relaxation)시킬 수 있다.

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Without relaxation, what will happen?

Relaxation시켜주지 않으면 도대체 어떻게 되길래?!

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① crack

② surface undulation

③ polycrystal generation (worst case)

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  위와 같은 세 가지 문제가 발생하고 이는 소자에 치명적이기 때문에 (polycrystal이 되어버리는 것은 최악!) relaxation과정이 반드시 필요하다. 여기서 알아두어야 할 용어가 있다. 바로 Critical thickness(tc).

 

 

Critical thickness

  길다란 철사를 손에 쥐고 있다고 상상해보자. 한 번 구부렸을 때에는 원상태로 복귀가 쉽다가 일정수준 이상으로 구부렸다 폈다를 반복하면 툭 끊어져버리고 만다. 이런 느낌으로 critical thickness를 이해하면 될 것 같다. 일정이상의 응력이 가해지면 툭 하고 붕괴가 일어난다는 의미에서 성수대교 붕괴사건을 비유해도 될..듯?

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  즉, 하나의 misfit dislocation이 만들어지기 까지는 일정이상의 응력(critical stress)을 가해주어야 하는데, misfit dislocation이 생길 때! 그 때의 두께를 Critical thickness라 한다. 응력이 쌓이다가 쌓이다가 boom! 하게 되는 것! 그러니까 critical thickness전에는 misfit dislcation이 없고, stress만 쌓여있겠지?

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그렇다면, Strained-layer Superlattice(SLS)가 threading dislocation을 어떻게 막을까?

  디바이스의 가운데 SLS층은 critical thickness이하의 두께를 가졌으니 dislocation이 존재하지 않고, 앞서 언급했듯 stress만 쌓여있는 상태다.(응력이 완화되지 않은 상태.) 그러니 substrate에서 dislocation이 발생되어 epitaxial layer로 threading되더라도 아래의 그림처럼 SLS의 계면에서 휘면서 사라지게 된다. 따라서 dislocation이 generation이 block된다!

Threading dislocation block by bowing with SLS

 

​  UV light에 중요한 LED를 만들 때 주로 사용하는 재료는 AlGaN/GaN이다. 다음 그림을 통해 SLS를 사용하는 이유를 복습하면서 마무리해보자.

위와 같이 AlGaN epitaxial layer(UV light에 굉장히 중요한 재료)를 GaN기판위에 성장시킬 때, crystal structure은 같지만 lattice constant차이에 의해 lattice mismatch가 발생하는데, 이 때 lattice mismatch stress를 완화시키기 위해 dislocation이 발생한다.

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정리해보면, buffer layer의 두께가 두꺼워지면 응력이 쌓이다가 critical thickness가 되는 순간, dislocation이 발생하면서 relaxation. 이 dislocation을 만들기 싫으면 SLS와 같은 얇은 격자층을 가진 층을 통해서 dislocation generation방지. 만약 relaxation을 해주지 않으면, crack, surface undulation, polycrystal 발생하기 때문에 소자구조에 치명적.

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총정리 with Q&A

 

Why dislocation is generated?

= to relax lattice mismatch stress. (이게 driving force)

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Relationship btw thickness and misfit stress?

thicker layer ⇒ bigger lattice mismatch stress.

 

How to reduce threading dislocation density?

1. growing buffer layer thicker

2. using Strained-layer Superlattice

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Without relaxation, what will happen?

① crack

② surface undulation

③ polycrystal generation (worst case)

BUT, 두께가 얇으면 small mismatch stress. dislocation이 발생하지 않아. (no defect)

 

 

이렇게 SLS에 대해 열심히 공부해보았다. 글쓰면서 정리하니까 나도 정리가 잘 된 기분!!

디스플레이/반도체를 공부하는 우리에게 화이팅을 외치며 오늘은 여기까지~

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