[논문]FS-GaN을 열산화하여 제작된 Beta-Ga2O3 박막의 특성

손호기; 이영진; 이미재; 김진호; 전대우; 황종희; 이혜용

doi:10.4313/jkem.2017.30.7.427

FS-GaN을 열산화하여 제작된 Beta-Ga2O3 박막의 특성
Properties of Beta-Ga2O3 Film from the Furnace Oxidation of Freestanding GaN 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.30 no.7, 2017년, pp.427 - 431

손호기 (한국세라믹기술원) , 이영진 (한국세라믹기술원) , 이미재 (한국세라믹기술원) , 김진호 (한국세라믹기술원) , 전대우 (한국세라믹기술원) , 황종희 (한국세라믹기술원) , 이혜용 (루미지엔테크)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we discuss ${\beta}-Ga_2O_3$ thin films that have been grown on freestanding GaN (FS-GaN) using furnace oxidation. A GaN template was grown by horizontalhydride vapor phase epitaxy (HVPE), and FS-GaN was fabricated using the laser lift off (LLO) system. To obtain ${\beta}-Ga_2O_3$ thin film, FS-GaN was oxidized at $900{\sim}1,100^{\circ}C$. Surface and cross-section of prepared ${\beta}-Ga_2O_3$ thin films were observed by field emission scanning electron microscopy (FE-SEM). The single crystal FS-GaNs were changed to poly-crystal ${\beta}-Ga_2O_3$. The oxidized ${\beta}-Ga_2O_3$ thin film at $1,100^{\circ}C$ was peel off from FS-GaN. Next, oxidation of FS-GaNwas investigated for 0.5~12 hours with variation of the oxidation time. The thicknesses of ${\beta}-Ga_2O_3$ thin films were measured from 100 nm to 1,200 nm. Moreover, the 2-theta XRD result indicated that (-201), (-402), and (-603) peaks were confirmed. The intensity of peaks was increased with increased oxidation time. The ${\beta}-Ga_2O_3$ thin film was generated to oxidize FS-GaN.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 furnace oxidation 방법을 이용하여 HVPE 성장법으로 제작된 FS-GaN 기판을 oxidation 온도와 시간에 따른 변화된 β-Ga2O3의 변화를 관찰하였다.

가설 설정

1. (a) Picture of freestanding GaN and (b) XRD of freestanding before the furnace oxidation.

제안 방법

FS-GaN 기판이 산화된 Ga₂O₃막의 표면 구조와 단면의 두께를 알아보기 위해 FE-SEM, AFM, EDX로 측정하였고, 구조적 특성은 2 theta XRD와 RAMAN (NRS3100, Jasco, Japan)으로 측정하였다.
FS-GaN 기판의 furnace oxidation을 위해서 쿼츠 튜브로에 넣고 상압 air 분위기에서 진행하였다. Oxidation온도와 시간에 따른 변화를 관찰하기 위해 각각 900, 1,000, 1,100℃까지 분당 5℃의 속도로 승온하고, 0.5, 4, 8, 12시간 유지한 후 로냉하였다. Oxidation 과정에서 air는 60 sccm 이상으로 주입하였다.
그림 3은 oxidation 시간 변화에 따른 표면 형상 및 성분 분석을 위해 FE-SEM과 EDX로 각각 관찰하였다. oxidation 온도 1,000℃에서 매끄러운 FS-GaN 표면에서 거친 Ga₂O₃ 막으로 변화되었다.
본 연구에서는 freestaning GaN (FS-GaN) 기판에 다양한 온도와 시간으로 thermal oxidation을 진행하여 β-Ga2O3 박막을 제작하여 그 특성을 분석하였다

이론/모형

성장온도는 1,010℃ 였고 성장된 GaN의 두께는 약 320 um였으며, 성장률은 약 140 um/h이었다. 성장 후 355 nm의 레이져 소스를 이용한 LLO (laser lift off) 방법으로 분리하였다.

성능/효과

GaN (002)와 (004) 피크가 34.5°, 72.84°에서 매우 강하게 나타남을 확인하였으며 이 결과를 통해서 FS-GaN은 (002) 방향으로 C축 성장한 것을 확인할 수 있었다.
의 변화를 관찰하였다. Oxidation 공정을 진행하여 FS-GaN에서 Ga₂O₃로 변형되는것을 관찰하였고 oxidation 온도는 1,000℃에서 가장 적합하였다. Oxidation 시간이 증가함에 따라 형성되는 Ga₂O₃층의 두께가 증가하는 것을 확인하였으며 8시간 oxidation 진행 후에는 형성되는 Ga₂O₃층의 두께는 증가하지만 표면에서 발생하는 열분해에 의해 결정성은 다소 낮아지는 것을 확인했다.
Oxidation 시간이 증가할수록 β-Ga2O3 피크의 강도는 증가하였고, GaN 피크의 강도는 감소하였다.
oxidation 온도 1,000℃에서 매끄러운 FS-GaN 표면에서 거친 Ga₂O₃ 막으로 변화되었다. Oxidation 시간이 증가함에 따라 Ga₂O₃ 막의 입자는 점차 크기가 커지는 것을 확인할 수 있었으며 8시간이후 부터는 크게 변함이 없었다.
Oxidation 공정을 진행하여 FS-GaN에서 Ga₂O₃로 변형되는것을 관찰하였고 oxidation 온도는 1,000℃에서 가장 적합하였다. Oxidation 시간이 증가함에 따라 형성되는 Ga₂O₃층의 두께가 증가하는 것을 확인하였으며 8시간 oxidation 진행 후에는 형성되는 Ga₂O₃층의 두께는 증가하지만 표면에서 발생하는 열분해에 의해 결정성은 다소 낮아지는 것을 확인했다.
XRD 측정 결과를 보면 β-Ga2O3 (-201) 피크의 반치폭은 열처리 시간이 4, 8, 12시간일 때 0.3, 0.24, 0.27 degree 값을 나타내어 8시간 oxidation한 샘플에서 반치폭 값이 가장 낮았다.
그러나 oxidation 공정을 진행한 모든 샘플의 측정결과에서 416 cm^-1 부근에서 나타는 Ag(6) 피크와 GaN E₂(high)와 GaN A₁(LO)가 관찰되었다 [15]. 관찰된 Ag(6) 피크는 oxidation 시간이 늘어나면 강도가 증가하는 경향을 보이다가 12시간 oxidation 후에는 강도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, GaN E2(high) 피크 강도와 β-Ga₂O₃의 Ag(6)피크 강도의 비율은 0.
18 nm로 안정적인 산화층이 형성되었다고 판단된다. 따라서 FS-GaN 기판의 산화층 형성을 위한 oxidation 온도는 FS-GaN 기판의 성장 온도보다 낮은 1,000℃에서 가장 적합한 것을 알 수 있었다.
또한, GaN E2(high) 피크 강도와 β-Ga2O3의 Ag(6)피크 강도의 비율은 0.5시간부터 12시간까지 oxidation을 진행한 샘플에서 비교해보면 그 비율이 3.42에서 3.04로 감소 결과를 확인하였다.
그림 3(e)는 FS-GaN 기판을 8시간 oxidation한 샘플의 EDX 측정 결과이다. 측정결과 각 원소별 weight%는 각각 Ga 원소는 67.58% O 원소는 32.42%로 측정되었고 이는 기존의 FS-GaN 기판 표면에서 oxidation이 진행된 것임을 알 수 있었다.
표 2에서는 FS-GaN 기판을 oxidation 온도 1,000℃에서 oxidation 시간에 따른 표면조도를 보여준다. 표면 조도는 4시간 동안 oxidation 했을 때 가장 낮았고, 12시간 oxidation 한 경우 42.87 nm까지 증가하는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	β-Ga2O3 박막의 제작 방법은 어떤 것이 있는가?	β-Ga2O3 박막의 제작 방법으로는 sol-gel process [5], MBE 성장법 [6], RF-sputtering 증착법 [7], MOCVD성장법 [8] 등이 있다.
	FS-GaN 기판이 산화된 Ga2O3막의 표면 구조와 단면의 두께는 어떤 장비로 측정하였는가?	FS-GaN 기판이 산화된 Ga2O3막의 표면 구조와 단면의 두께를 알아보기 위해 FE-SEM, AFM, EDX로 측정하였고, 구조적 특성은 2 theta XRD와 RAMAN (NRS3100, Jasco, Japan)으로 측정하였다.
	갈륨 옥사이드의 5개 주조 중 가장 안정한 구조는?	갈륨 옥사이드는 일반적으로 5개의 구조를 가지고 있어서 성장 조건에 따라 구조가 달라진다. 5개의 구조 중 가장 안정한 구조는 monoclinic 결정계를 가진 beta-Ga2O3이다. 격자 상수는 a=12.

참고문헌 (15)

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