미스트 화학기상 증착법을 이용한 차세대 고효율 산화갈륨 박막성장과 구조 분석 = Growth and Characteristics of Wide Bandgap Semiconductor Materials using Mist Chemical Vapor Deposition

국문 초록 (Abstract)

차세대 전력 반도체의 수요인 고전압, 고효율의 요구를 만족 시키기 위해 광대역 밴드갭(WBG) 재료인 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC), 다이아몬드, 산화갈륨 등 많은 반도체 재료들의 연구가 진행되고 있다. 그 중 산화갈륨(Ga2O3)은 넓은 밴드갭(4.5~5.3 eV)과 실리콘보다 전력반도체 성능지수인 Baliga 지수(~3444)로 우수한 특성을 보여주며 차세대 고전압 전력반도체 소재 중 하나로 각광받고 있다. 특히, 산화갈륨은 인치급 상업용 단결정 벌크 기판을 제공하기 위해 벌크 성장과 반도체 소자를 위한 박막 성장이 가능하다. 일반적으로 산화갈륨는 5개의(α, β, γ, ε, δ) 결정상을 갖는 것으로 알려져 있다. 그 중 가장 우수한 열역학적 안정성은 단사정 β상 구조이다. 가장 큰 밴드갭 에너지인 5.3eV 값을 갖는 α-Ga2O3의 커런덤 구조는 유사한 결정 구조로 인해 사파이어 기판(α-Al2O3)에서 헤테로에피택셜 성장이 가능하다. 2인치 α-Ga2O3 에피층의 성장을 위한 수평형 미스트 CVD의 성장 거동을 위해 시뮬레이션 및 성장 연구를 수행했다. 성장 시간이 증가함에 따라 두께도 균일하게 증가하였고, XRD 스캔을 통해 커런덤 α상의 결정 구조도 확인하였다. 미스트 CVD 시스템은 또한 Ga2O3 에피택셜 층의 대면적 성장을 위한 2인치급 전체 영역에서 두께 및 표면 거칠기의 거동을 연구했다. 또한, 본 연구를 통해 Sn이 도핑된 n형 Ga2O3 에피층이 2단계 공정으로 형성된 2인치 사파이어 기판에 수평 미스트 CVD를 사용하여 박막의 구조적 특성과 표면 거동을 연구하였다. 단일 Ga2O3 층에 비해 이중 Ga2O3 층은 두께 균일성과 표면 거칠기가 개선되었으며, 단일 Ga2O3 층의 표면 거칠기와 전위 밀도에 의해 전기적 특성으로 다양한 산란 메커니즘의 연관성을 연구하였다. 그리고 Al 및 In과 함께 Ga의 고용 성장을 위해 2채널 미스트 CVD를 사용하여 α-(AlxGa1-x)2O3 및 α-(InxGa1-x)2O3 박막을 성장시켰다. α-(AlxGa1-x)2O3 박막과 α-(InxGa1-x)2O3 박막의 경우 α-Ga2O3의 XRD 피크를 중심으로 각각 오른쪽과 왼쪽으로 피크 이동이 있었고 밴드갭은 UV-Vis 투과율을 측정하여 계산하였다. 밴드갭은 최소 4.44eV, 최대 6.43eV까지 계산되었다. 따라서 Al과 In을 이용한 산화갈륨 밴드갭 엔지니어링은 향후 정밀한 밴드갭 제어가 필요한 기기 또는 심자외선 영역의 응용소자 적용될 것으로 기대된다. 그리고 (AlxGa1-x)2O3/Ga2O3 이중 버퍼층을 성장시키고 급속 열처리를 수행하여 Sn 도핑 Ga2O3 에피층을 성장시켰다. 이중 버퍼층의 삽입은 기판에서 발생하는 전위를 차단하여 전기적 특성을 가진 Sn 도핑 Ga2O3 에피층의 결정성을 향상시킨다. (AlxGa1-x)2O3/Ga2O3 이중 버퍼층은 급속 열처리로 인한 상전이를 줄일수 있으며, 일부 상전이되어 혼합상을 형성한다. 일부 형성된 혼재된 상에서는 측면 과성장을 유도하여 In-plane 결정성이 향상되었다. 하지만 열처리 온도가 800℃ 이상이 되면 β 상으로 상전이 되며 성장된 Ga2O3 층의 결정성을 감소시킨다. 또한 급속 열처리에 의해 매끄러운 계면과 Al원자의 확산은 Sn 도핑 Ga2O3의 결정성을 향상시키고 전자 이동도 향상을 시킬수 있다. 이러한 급속 열처리 이중 버퍼층 연구는 차세대 Ga2O3 반도체 소자의 공정시간을 단축시키며, 전기적 특성을 조절 연구에 응용할 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경 6
• 2.1. 산화갈륨의 결정구조 6
• 2.1.1. 알파 6
• 2.1.2. 베타 6
• 2.1.3. 감마 7
• 2.1.4. 델타 8
• 2.1.5. 엡실론 및 카파 8
• 2.2. 산화갈륨의 성장 10
• 2.2.1. 산화갈륨의 벌크성장 10
• 2.2.1.1. EFG 성장법 10
• 2.2.1.2. CZ 성장법 11
• 2.2.1.3. FZ 성장법 12
• 2.2.1.4. VB 성장법 12
• 2.2.2. 산화갈륨의 에피택셜 성장 15
• 2.2.2.1. MBE 성장법 15
• 2.2.2.2. HVPE 성장법 15
• 2.2.2.3. MOCVD 성장법 16
• 2.2.2.4. Mist CVD 성장법 16
• 2.3. 연구동향 19
• 2.3.1. 전위밀도에 대한 영향 19
• 2.3.2. 도핑에 대한 영향 22
• 2.4. 연구목표 24
• 2.4.1. 2인치 사파이어 기판위의 α-Ga2O3 박막 성장 거동 24
• 2.4.2. 2단계 성장 공정을 이용한 Sn 도핑 α-Ga2O3 박막 성장 24
• 2.4.3. Al 또는 In을 Ga과 고용체 성장하여 삼성분계 박막 성장 24
• 2.5. 화학기상증착법 메커니즘 선행연구 26
• 2.5.1. 화학기상증착법 이용한 SiC 박막 코팅 서론 26
• 2.5.2. 실험방법 27
• 2.5.3. 결과 및 고찰 27
• 2.5.4. 결론 40
• 3. 실험 및 결과 41
• 3.1. 미스트 화학기상증착장치를 이용한 2인치 사파이어 기판위에 α-Ga2O3 박막 성장 거동 연구 41
• 3.1.1. 서론 41
• 3.1.2. 실험 44
• 3.1.2.1. 샘플준비 44
• 3.1.2.2. 미스트 CVD의 유체에 대한 COMSOL 시뮬레이션 구성 44
• 3.1.2.3. 미스트 CVD의 온도 프로파일 및 속도 필드 47
• 3.1.2.4. 기판 표면의 미스트 속도 및 온도 47
• 3.1.2.5. 기판의 각도가 미치는 영향 50
• 3.1.3. 결과 및 토론 61
• 3.1.3.1. 시뮬레이션 기반 2인치 산화갈륨 에피층 성장 61
• 3.1.3.2. 성장된 α-Ga2O3 에피층의 구조적 특성 63
• 3.1.4. 결론 68
• 3.2. 미스트 화학기상증착을 사용하여 성장한 Sn 도핑 산화갈륨 헤테로에피택
• 셜의 2단계 구조적 그라데이션 특성 69
• 3.2.1. 서론 69
• 3.2.2. 실험 70
• 3.2.2.1. 샘플준비 70
• 3.2.2.2. Sn 도핑 산화갈륨 에피층 측정 70
• 3.2.3. 결과 및 토론 71
• 3.2.3.1. 산화갈륨 층의 2단계 구조적 그라데이션 71
• 3.2.3.2. Sn 도핑 산화갈륨 박막의 결정성 77
• 3.2.3.3. 전기적 특성 및 산란 메커니즘 80
• 3.2.4. 결론 83
• 3.3. 2채널 미스트 화학기상증착시스템의 α-(AlxGa1-x)2O3 및 α-(InxGa1-x)2O3 박막 고용체 조절을 통한 밴드갭 엔지니어링 연구 84
• 3.3.1. 서론 84
• 3.3.2. 실험방법 85
• 3.3.3. 결과 및 토론 88
• 3.3.3.1. α-(AlxGa1-x)2O3 및 α-(InxGa1-x)2O3 박막의 XRD 회절 특성 88
• 3.3.3.2. α-(AlxGa1-x)2O3 및 α-(InxGa1-x)2O3 박막의 광학적 특성 90
• 3.3.4. 결론 94
• 3.4. 급속 열처리된 이중 버퍼층을 사용한 Sn 도핑 α-Ga2O3 에피층의 결정성 제어 연구 95
• 3.4.1. 서론 95
• 3.4.2. 실험방법 96
• 3.4.3. 결과 및 토론 99
• 3.4.3.1. (AlxGa1-x)2O3/Ga2O3 이중 버퍼층 성장 및 급속 열처리 99
• 3.4.3.2. 이중 버퍼층 위에 Sn 도핑 α-Ga2O3 박막의 성장 105
• 3.4.3.3. 성장된 Sn 도핑 Ga2O3층의 전기적 특성 117
• 3.4.4. 결과 및 토론 119
• 4. 결론 120
• 참고문헌 122
• List of Tables 136
• List of Figures 137
• Abstract 142