Growth of III-nitrides on two-dimensional materials by MBE and MOCVD for quasi-van der Waals epitaxy

Abstract

This dissertation deals with approaches using nanowire structure and quasi-van der Waals epitaxy to overcome the problems caused by growing group III-nitride materials on foreign substrates. In the approach using nanowire structure, effects of nitrogen flow rates on AlGaN nanowires were investigated, and a composition change model was proposed to explain the change of composition depending on nitrogen flow rates. It was shown that GaN nanowires can be grown on a Ti layer by using it as a substrate. In addition, a current spreading layer in which graphene and Au were combined was devised for nanowire UV LEDs. In the approach using quasi-van der Waals epitaxy, it was confirmed that GaN nanowires with improved structural and optical properties can be grown by using graphene on an amorphous quartz substrate. Meanwhile, in order to solve the problem of low nucleation density on two-dimensional materials, a method was devised to make an externally deposited Al layer into a nucleation layer. In addition, III-nitrides were grown on polycrystalline hexagonal boron nitride by MOCVD and PA-MBE, and growth patterns were analyzed depending on the growth conditions. Lastly, it was found that hydrogen atoms reduce the thermal damage of graphene and that nitrogen atoms generated by ammonia decomposition can accelerate the damage to graphene. Through this, it was confirmed that nuclei were formed at the substrate due to the damage of graphene. In addition, by depositing and crystallizing an Al2O3 layer on graphene, it was possible to reduce the damage of the graphene and increase the nucleation density.|본 학위논문에서는 이종기판에 3족 질화물을 성장함으로서 발생하는 문제들을 완화하기 위해 나노와이어 구조를 이용하는 접근과 준 반데르발스 에피택시를 이용한 접근에 대한 내용들을 다룬다. 나노와이어를 이용한 접근에서, 질소 유량이 AlGaN 나노와이어의 형태와 조성비에 끼치는 영향을 조사했고, 이로부터 조성비 변화 모델을 제시했다. 또한, Ti층을 기판으로 이용해 GaN 나노와이어를 성장시켰으며, 이를 UV LED로 이용하기 위해 그래핀과 Au이 결합된 전류확산층을 고안했다. 준 반데르발스 에피택시를 이용한 접근에서, 비정질 쿼츠 기판에 그래핀을 전사해 기판으로 이용함으로서 GaN 나노와이어의 구조적, 광학적 특성을 향상시킬 수 있음을 보였다. 한편, 이차원 물질 위에서의 낮은 핵 형성 밀도 문제를 해결하기 위해 외부에서 증착한 Al 층을 핵 형성층으로 이용하는 방법을 고안했다. 이외에, 다결정 육방정계 질화붕소에 MOCVD와 PA-MBE로 3족 질화물을 성장하고 성장 조건에 따른 성장 양상을 분석했다. 마지막으로, MOCVD에서 열처리를 통해, 수소 원자가 그래핀의 열적 손상을 줄이고, 암모니아 분해에 의한 질소 원자가 그래핀에 결합되어 손상이 가속될 수 있음을 밝혔다. 이를 통해, 그래핀의 손상에 의해 기판에서 핵 형성이 일어남을 확인했다. 또한, 그래핀에 Al2O3층을 증착하고 결정화 시킴으로써 그래핀의 손상을 줄이고 핵 형성 밀도를 증가시킬 수 있음을 보였다.