[논문]단결정 β-Ga2O3 반도체를 이용한 쇼트키 배리어 다이오드 제작

김현섭; 조민기; 차호영

doi:10.5573/ieie.2017.54.1.021

단결정 β-Ga2O3 반도체를 이용한 쇼트키 배리어 다이오드 제작
Schottky Barrier Diode Fabricated on Single Crystal β-Ga2O3 Semiconductor 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.54 no.1 = no.470, 2017년, pp.21 - 25

김현섭 (홍익대학교 전자전기공학부) , 조민기 (홍익대학교 전자전기공학부) , 차호영 (홍익대학교 전자전기공학부)

초록
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본 연구에서는 최근 차세대 전력 반도체로 관심을 받고 있는 단결정 ${\beta}-Ga_2O_3$를 이용한 쇼트키 배리어 다이오드 제작 및 특성 분석을 수행하였다. 쇼트키 배리어 다이오드는 Sn으로 도핑된 $2{\mu}m$ 두께의 저농도 N 타입 에피층 상에 Pt/Ti/Au 쇼트키 접합으로 제작되었으며 측정된 특성은 > 180 V의 항복전압, $1.26m{\Omega}{\cdot}cm^2$의 온 저항, 그리고 1 V의 순 방향 전압에서 $77A/cm^2$, 1.5 V에서 $473A/cm^2$의 순방향 전류 특성을 나타내었다. 본 연구를 통하여 단결정 ${\beta}-Ga_2O_3$의 전력반도체 활용 가능성을 확인 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we have fabricated Schottky barrier diodes (SBD) on single-crystal ${\beta}-Ga_2O_3$ semiconductor that has received much attention for use in next-generation power devices. The SBD had a Pt/Ti/Au Schottky contact on a $2{\mu}m$ Sn-doped low concentration N-type epitaxial layer. The fabricated device exhibited a breakdown voltage of > 180 V, a specific on-resistance of $1.26m{\Omega}{\cdot}cm^2$, and forward current densities of $77A/cm^2$ at 1 V and $473A/cm^2$ at 1.5 V, which proved the potential for use in power device fabrication.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

β-Ga2O3 를 이용하여 제작된 SBD 소자가 차세대 전력 반도체로써의 효용 가치가 있는지를 확인해보기 위하여 순방향 및 항복 특성을 측정하였다.
마지막으로 SiO2와 β-Ga2O3의 계면 안정화 및 특성을 향상시키기 위하여 400℃의 산소(O2)분위기 안에서 10분 동안 후열처리 과정을 진행하였다.
사진식할 때각공정으로 게이트 접합 영역을 정의한 후 BOE (NH4F : HF)를 이용한 습식식각으로 SiO2 막을 제거하고 기존의 패터닝 되어있는 부분을 아세톤과 IPA로 깨끗하게 지웠다.
이후, 2차 패터닝을 통하여 전계판 형상을 갖는 쇼트키 접합으로Pt/Ti/Au (= 15/5/250 nm)를 전자빔 증착기를 이용하여 증착하였으며, 소자 뒷면에 낮은 저항의 오믹 접합을 형성하기 위해 BCl3 기반의 Reactive Ion Etching (RIE) 공정으로 식각을 통한 의도적인 손상을 주고 Ti/Au (=20/230 nm)를 전자빔 증착기를 이용하여 오믹 접합을 형성하였다[11].
본 논문에서는 이러한 뛰어난 물질 특성으로 차세대 전력 반도체로 관심을 받고 있는 단결정 β-Ga2O3을 이용하여 SBD를 실제 제작하고 전류-전압 특성 및 항복전압을 측정하였으며, 이를 바탕으로 차세대 전력 반도체로써 β-Ga2O3의 적합성 및 사용 가능성을 확인하였다.
연구에서는 차세대 전력 반도체로 관심을 받고 있는 단결정 산화갈륨 (β-Ga2O3)반도체를 이용한 쇼트키배리어 다이오드를 제작하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단결정 β-Ga2O3 물질은 어디에 활용되는가?	또한, 간편한 용액 성장법에 의해 단결정 기판을 만들 수 있다는 특성으로 제조에 필요한 에너지나 비용의 절감을 이끌 수 있어 산업적인 측면에서 유리한 특징을 가지고 있다[2]. 최근에는 일본에서 4인치 구경까지 성장된 단결정 β-Ga2O3 웨이퍼가 보고되었으며[5] 단결정 β-Ga2O3 물질을 이용한 쇼트키배리어 다이오드 (Schottky barrier Diode, SBD) 및 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터 (Metal-Oxide-Semiconductor field-effect-transistors, MOSFETs)는 높은 항복 전압 및 전류 밀도를 가지며 우수한 고온 신뢰성으로 차세대 전력 반도체로써의 가능성을 입증하였다[6∼10].
	산화갈륨의 특징은?	산화갈륨 (β-Ga2O3)은 큰 에너지 밴드갭 특성을 갖는 재료 물성으로 인하여 고내압, 저손실 파워 소자용 차세대 반도체 재료로 매우 각광받고 있다. β-Ga2O3은 약4.
	산화갈륨이 GaN와 SiC 보다 전력 반도체로 적합한 물질인 이유는?	표 1에서 비교된 바와 같이, β-Ga2O3의 물질 특성은 최근 전 세계적으로 고전압, 고전력 반도체 물질로 활발히 연구되고 있는 질화갈륨(GaN)과 탄화규소(SiC) 보다 2배 이상 뛰어나다. 비록전자 이동도는 약 300 cm2/(V·s)[3]로 다른 반도체보다 상대적으로 낮은 값이지만 전력 소자에 적합한 물질을 평가하는 Baliga의 성능지수(Baliga's Figure of Merit,BFOM)[4]로 볼 때 GaN 및 SiC 보다 약 4∼5배 이상 뛰어난 특성을 가지고 있어 차세대 전력 반도체로 적합한 물질이라 할 수 있다. 또한, 간편한 용액 성장법에 의해 단결정 기판을 만들 수 있다는 특성으로 제조에 필요한 에너지나 비용의 절감을 이끌 수 있어 산업적인 측면에서 유리한 특징을 가지고 있다[2].

참고문헌 (13)

H. H. Tippins, "Optical Absorption and Photoconductivity in the Band Edge of ${\beta}-Ga_2O_3$ ," Phys. Rev., Vol. 140, no. 1A, pp. A316-A319, October 1965.

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M. Higashiwaki, K. Sasaki, A. Kuramata, T. Masui, and S. Yamakoshi, "Gallium Oxide ( $Ga_2O_3$ ) Metal-Semiconductor Field-Effect Transistors on Single-Crystal ${\beta}-Ga_2O_3$ (010) Substrates," Appl. Phys. Lett., Vol. 100, no. 1, p. 013504, January 2012.

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K. Sasaki, A. Kuramata, T. Masui, E. G. Villora, K. Shimamura, and S. Yamakoshi, "Device-quality ${\beta}-Ga_2O_3$ Epitaxial Films Fabricated by Ozone Molecular Beam Epitaxy," Appl. Phys. Exp., Vol. 5, no. 3, p. 035502, March 2012.

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B. J. Baliga, "Power Semiconductor Device Figure of Merit for High-Frequency Applications," IEEE Electron Device Lett., Vol. 10, no. 10, pp. 455-457, October 1989.

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K. Sasaki, M. Higashiwaki, K. Goto, K. Nomura, Q. T. Thieu, R. Togashi, H. Murakami, Y. Kumagai, B. Monemar, A. Koukitu, A. Kuramata, and S. Yamakoshi, "First Demonstration of ${\beta}-Ga_2O_3$ Schottky Barrier Diode with Field Plate Edge Termination," International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM), p. 1076, Sapporo, Japan, 27-30 September 2015.
H. Murakami, K. Nomura, K. Goto, K. Sasaki, K. Kawara, Q. T. Thieu, R. Togashi, Y. Kumagai, M. Higashiwaki, A. Kuramata, S. Yamakoshi, B. Monemar, and A. Koukitu, "Homoepitaxial Growth of ${\beta}-Ga_2O_3$ Layers by Halide Vapor Phase Epitaxy," Appl. Phys. Exp., Vol. 8, no. 1, p. 015503, December 2014.
M. Higashiwaki, K. Sasaki, M. H. Wong, T. Kamimura, D. Krishnamurthy, A. Kuramata, T. Masui, and S. Yamakoshi, "Depletion-Mode $Ga_2O_3$ MOSFETs on ${\beta}-Ga_2O_3$ (010) Substrates with Si-Ion-Implanted Channel and Contacts," IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), pp. 28.7.1-28.7.4, Washington, USA, 9-11 December 2013.
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M. Higashiwaki, K. Konishi, K. Sasaki, K. Goto, K. Nomura, Q. T. Thieu, R. Togashi, H. Murakami, Y. Kumagai, B. Monemar, A. Koukitu, A. Kuramata, and S. Yamakoshi, "Temperature-Dependent Capacitance-Voltage and Current-Voltage Characteristics of Pt/ $Ga_2O_3$ (001) Schottky Barrier Diodes Fabricated on ${n^-}-Ga_2O_3$ Drift Layers Grown by Halide Vapor Phase Epitaxy," Appl. Phys. Lett., Vol. 108, no. 13, p. 133503, March 2016.

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K. Sasaki, M. Higashiwaki, A. Kuramata, T. Masui, and S. Yamakoshi, " $Ga_2O_3$ Schottky Barrier Diodes Fabricated by Using Single-Crystal ${\beta}-Ga_2O_3$ (010) Substrates," IEEE Electron Device Lett., Vol. 34, no. 4, pp. 493-495, April 2013.

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M. Higashiwaki, K. Sasaki, K. Goto, K. Nomura, Q. T. Thieu, R. Togashi, H. Murakami, Y. Kumagai, B. Monemar, A. Koukitu, A. Kuramata, and S. Yamakoshi, " $Ga_2O_3$ Schottky Barrier Diodes with ${n^-}-Ga_2O_3$ Drift Layers Grown by HVPE," 2015 73rd Annual Device Research Conference (DRC), pp. 29-30, 21-24 June 2015.
B. Song, A. K. Verma, K. Nomoto, M. Zhu, D. Jena, and H. G. Xing, "Vertical $Ga_2O_3$ Schottky Barrier Diodes on Single-Crystal ${\beta}-Ga_2O_3$ (-201) Substrates," 2016 74th Annual Device Research Conference (DRC), 19-22 June 2016.

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