상전이를 이용한 고품질 이종접합 β-Ga2O3 박막의 제조와 전기전도도 제어

Abstract

Ga2O3는 α, β, γ, δ, 그리고 ε상의 서로 다른 5개의 다형체를 가진 물질이다. 그중 열적 최고안정상인 β-Ga2O3는 4.9 eV에 달하는 넓은 band gap을 가지고 있으며, Si, Ge, Sn 등 4족 원소의 doping을 통한 넓은 영역의 전도성 제어가 가능하고, 열적, 화학적으로 안정하여 다양한 활용이 기대되는 물질이다. 또한, 현재 전력반도체로 주목받고 있는 GaN와 SiC보다 넓은 band gap과 높은 항복 전압 특성을 가지고 있을 뿐 아니라 용융법을 통한 단결정 기판 제작이 가능하여 차세대 초고전력반도체 재료로 응용될 것으로 기대된다. 하지만 β-Ga2O3는 이종성장에 의한 박막 형성 시 상용 기판들과 낮은 격자 정합 특성으로 인해 높은 결함 밀도와 표면 거칠기로 인해 고품질 박막 성장이 쉽지 않다는 단점을 가지고 있다. 반면, Ga2O3의 차안정상인 ε-Ga2O3는 육각 대칭성을 가지는 대부분의 상용 기판들(c-sapphire, Si(111), GaN, 4H-SiC 등)과의 정합성이 우수하여 β-Ga2O3에 비해 상대적으로 쉽게 고품질 박막을 얻을 수 있다는 특징을 가진다. 그러나 ε-Ga2O3 박막은 Electrical structure에 의해 doping을 통한 높은 전기 전도도 달성이 어렵고 관련된 연구 결과도 부족한 편이다. 이에 본 연구에서는 ε-Ga2O3 박막의 우수한 평탄도를 유지하면서 열처리에 의해 β상으로 전이시켰고, 성장 및 열처리 조건에 따른 상 변이 후 결정성과, 상전이된 β-Ga2O3 박막의 전기 전도도 제어 특성에 대하여 조사하였다. Metal organic chemical vapor deposition (MOCVD)를 이용하여 c-sapphire 기판 위에 Sn doping된 ε-Ga2O3박막을 성장하였고, 열처리를 통해 β상으로 변이 시켰다. ε-Ga2O3박막 성장 시, β-Ga2O3 혼입량을 제어하여 열처리를 통한 상전이 후 β-Ga2O3 결정성을 향상시켰고, 산소 공급원으로 사용된 H2O bubbler에 수용성 Sn 화합물을 첨가하는 새로운 방법으로 효과적인 doping을 수행하여 낮은 거칠기의 고품질 Sn doped β-Ga2O3 박막을 성장하였다. x-Ray diffraction (XRD)와 I-V measurement, field emission – scanning electron microscope (FE-SEM), energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS), atomic force microscope (AFM), photoluminescence (PL) 그리고 Hall Measurement를 이용하여 박막의 구조적, 광학적, 전기적 특성을 평가하였다. 본 연구 결과는 차세대 고내압 전력반도체 제작에 필요한 고품질 β-Ga2O3 박막의 제조에 크게 기여할 것으로 기대된다.