[논문]MOCVD로 성장한 β-Ga2O3 박막에 대한 Mg 불순물 주입 효과

박상훈; 이서영; 안형수; 유영문; 양민

doi:10.6111/jkcgct.2018.28.2.057

MOCVD로 성장한 β-Ga2O3 박막에 대한 Mg 불순물 주입 효과
The effects of Mg impurities on β-Ga2O3 thin films grown by MOCVD 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.28 no.2, 2018년, pp.57 - 62

박상훈 (한국해양대학교 전자소재공학과) , 이서영 (한국해양대학교 전자소재공학과) , 안형수 (한국해양대학교 전자소재공학과) , 유영문 (부경대학교 LED-해양융합기술센터) , 양민 (한국해양대학교 전자소재공학과)

초록
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본 연구에서는 Mg acetate 수용액을 사용한 간편한 도핑방법으로 불순물을 주입하여 성장한 $Ga_2O_3$ 박막의 불순물 주입 효과에 대해 연구하였다. MOCVD 방법을 이용해 Si 기판 위에 undoped $Ga_2O_3$ 박막과 Mg-doped $Ga_2O_3$ 박막을 각각 $600^{\circ}C$와 $900^{\circ}C$의 성장온도에서 30분간 성장하였다. 표면 형상 분석 결과 Mg 불순물 주입에 따른 큰 차이는 확인되지 않았으며 $900^{\circ}C$에서 성장한 박막의 표면이 $600^{\circ}C$에서 성장한 박막의 표면보다 큰 거칠기를 가지고 다결정화 되는 것을 확인하였다. 광학적 특성 분석 결과, 도핑된 샘플의 경우 전체적인 발광 피크가 red shift 되었고 UV 방출 세기가 커지는 특성을 보였다. I-V 측정 결과로부터 Mg 불순물에 의해 $600^{\circ}C$ 성장 박막의 누설전류가 감소하고, $900^{\circ}C$ 성장 박막의 광전류는 증가하는 효과를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we investigated the impurity effect of $Ga_2O_3$ doped thin film by simple doping method using Mg acetate solution. Both undoped $Ga_2O_3$ thin films and Mg-doped $Ga_2O_3$ thin films were grown on Si substrates at 600 and $900^{\circ}C$ for 30 minutes by means of a customized MOCVD method. As a result of the surface analysis, there were no obvious morphological differences by Mg impurity implantation. The surface of the thin film grown at $900^{\circ}C$ was rougher than those grown at $600^{\circ}C$ and polycrystallization was achieved. As a result of the optical property analysis, in the case of the doped sample, the overall emission peak was red shifted and the UV radiation intensity was increased. As a result of the I-V curve, the leakage current of the $600^{\circ}C$ growth thin film decreased by the Mg impurity and the photocurrent of the growth thin film of $900^{\circ}C$ increased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)를 이용한 Ga₂O₃박막 성장 중 Mg acetate 수용액 전구체를 이용해 acceptor로 작용할 수있는 Mg 불순물을 주입함으로써 성장된 박막의 특성 변화에 대해 알아보았다. 또한 비정질 박막과 결정화된 박막의 특성을 비교하기 위하여 600^oC와 900^oC 두 온도에서 박막을 성장시켜 비교하였고 각 성장 온도와 불순물 주입 조건에 의한 구조적, 광학적, 전기적 특성 평가를 진행하였다.
본 연구에서는 Mg acetate 수용액을 이용해 Ga₂O₃박막 성장 중 불순물을 주입하는 새로운 도핑 방법을 소개하였다. Mg-doped 샘플과 undoped 샘플의 결정성, 표면형상, 광학적, 전기적 특성을 비교한 결과 p-type 특성은 확인할 수 없었으나 Mg 불순물 주입에 따른 긍정적인 효과를 확인할 수 있었다.

제안 방법

수직형 소자 제작을 위해 electron beam evaporator 를 사용하여 Si 기판 뒷면에 Al 전극을 100 nm 증착하였고 성장된 Ga₂O₃박막 위에 Ti/Au을 10/100 nm 증착하였다. 결정성, 표면형상, 광학적 특성과 전기적 특성에 대한 불순물의 영향을 XRD(X-ray diffraction), SEM(scanning electron microscopy), CL(cathodoluminescence), I-V 특성 분석을 통해 조사하였다.
박막 성장 중 Mg acetate 수용액 전구체를 이용해 acceptor로 작용할 수있는 Mg 불순물을 주입함으로써 성장된 박막의 특성 변화에 대해 알아보았다. 또한 비정질 박막과 결정화된 박막의 특성을 비교하기 위하여 600^oC와 900^oC 두 온도에서 박막을 성장시켜 비교하였고 각 성장 온도와 불순물 주입 조건에 의한 구조적, 광학적, 전기적 특성 평가를 진행하였다.
박막을 성장하기 전, 산소 소스에 의한 Si 기판의 표면 산화와 Si 기판과 Ga₂O₃박막 간의 격자부정합에 의한 결정질 저하를 최소화 하기 위해 두께 20 nm의 저온 버퍼층을 450^oC에서 성장하였다. 버퍼층 성장 후, TMGa 소스의 공급만 중단하여 성장 온도까지 가열한 후 다시 TMGa 소스를 공급하여 30분 동안 Ga₂O₃박막 성장을 진행하였다. 성장하는 동안 TMGa 소스와 H₂O bubbler에통과하는 N₂ 캐리어 가스의 유량을 각각 7과 300 sccm으로 고정하였다.

대상 데이터

박막 성장을 위해 사용된 Si (111) 기판의 자연 산화막 제거를 위해 buffered oxide etchant(BOE) 용액을 이용하여 1분간 세척하였고 세척 직후 MOCVD 장비의 석영관 반응로 내부의 흑연 susceptor에 장착하였다. Ga 전구체로는 Trimethylgallium(TMGa)을, O 전구 체로는 DI water(H₂O)를 bubbling하여 사용하였으며 분위기 가스 및 캐리어 가스로는 N₂ 가스를 사용하였다. 박막을 성장하기 전, 산소 소스에 의한 Si 기판의 표면 산화와 Si 기판과 Ga₂O₃박막 간의 격자부정합에 의한 결정질 저하를 최소화 하기 위해 두께 20 nm의 저온 버퍼층을 450^oC에서 성장하였다.

성능/효과

박막 성장 중 불순물을 주입하는 새로운 도핑 방법을 소개하였다. Mg-doped 샘플과 undoped 샘플의 결정성, 표면형상, 광학적, 전기적 특성을 비교한 결과 p-type 특성은 확인할 수 없었으나 Mg 불순물 주입에 따른 긍정적인 효과를 확인할 수 있었다. 불순물 주입에 따른 표면 형상 변화는 큰 차이가 없었으며 600^oC의 저온 성장 시 Mg에 의해 부분적인 상 변화가 발생한 것을 확인하였다.
8^o 에서 확인되었으며 ( #11) 결정 면이 가장 강한 세기를 띠었다. Mg-doped 샘플에서는 가장 우세한 ( #11) 피크 외 다른 피크들의 세기가 감소한 것을 확인할 수 있었으며 40.5^o 부근에서 β-Ga₂O₃결정면에서 확인되지 않는 피크가 미세하게 발견되었다. 이 피크는 α-Ga₂O₃(0006)면으로 추정되는데 종래의 연구에 의하면 성장 조건에 따라 β 상이 아닌 다른 상의 Ga₂O₃가 성장할 수 있으며 550^oC의 저온에서 α-Ga₂O₃가 성장된 보고가 있기 때문에 타당한 추측이라고 판단 된다[9].
6(b)에 900^oC 샘플을 측정한 I-V 특성 곡선을 나타내었다. Undoped 샘플의 누설전류는 600^oC에서 성장한 샘플의 누설전류와 별 차이가 없지만 도핑된 샘플의 경우 −10 V에서 약 10배 가량 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 SEM 측정에서 보인 표면현상의 차이로 설명할 수 있다.
또한 전기적 특성 분석 결과 Mg 불순물 주입에 따라 600^oC 성장 샘플에서는 누설전류가 감소되고 900^oC 성장 샘플에서는 UV 효율 상승에 의해 광전류가 증가한 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 acetate 수용액을 전구체로 이용한 새로운 도핑 방법이 Mg 불순물로 인해 UV 발광 효율 및 누설전류, 광전류와 같은 박막 특성이 향상되는 의미 있는 효과를 가져온 것으로 판단된다. 아직 초기 연구 단계임을 감안하여 이후 세부조건을 최적 화시킨다면 다양한 목적의 광전소자 응용이 가능한 우수한 UV 효율을 가지는 β-Ga₂O₃박막성장이 가능할 것으로 기대된다.
이 준위는 Ga 자리에 Mg 불순물의 치환으로 생성된 것이 아닌 촉매 매커니즘에 의한 것으로 산소 공공 농도를 증가시켜 donor 준위 자체를 shift 시켰거나, donor 준위의 70 meV 아래에 위치한 불순물 준위의 활성화 시킴으로써 새로운 천이 준위를 생성한 것으로 판단된다. 결과적으로 새로운 준위의 생성으로 Mg-doped 샘플의 UV 방출에서 70 meV의 차이를 보임과 동시에 UV 방출을 향상시킨 것으로 판단된다. 그 외의 방출 역시 새로운 에너지 준위에 영향을 받았으나 Mg 불순물첨가로 인한 촉매작용으로 결함준위 또한 변화했기 때문에 shift 된 정도의 차이가 있는 것으로 보인다.
Mg-doped 샘플과 undoped 샘플의 결정성, 표면형상, 광학적, 전기적 특성을 비교한 결과 p-type 특성은 확인할 수 없었으나 Mg 불순물 주입에 따른 긍정적인 효과를 확인할 수 있었다. 불순물 주입에 따른 표면 형상 변화는 큰 차이가 없었으며 600^oC의 저온 성장 시 Mg에 의해 부분적인 상 변화가 발생한 것을 확인하였다. 광학적 특성 분석 결과에서는 Mg 불순물 주입에 의해 acceptor 준위가 아닌 donor 준위 아래에 새로운 에너지 준위가 형성되어 UV 효율이 높아진 것을 확인하였다.
700^oC 이상의 고온에서 Si 기판 위에 Ga₂O₃박막을 직접 성장시킬 경우 격자부정합과 결정구조의 불일치에 의해서 Ga₂O₃박막이 균일하게 성장되지 않고 표면이 거친 모습을 보였다. 이에 따라 Si와 Ga₂O₃같이 격자상수 및 결정구조의 차이가 큰 이종성장을 하는 경우 버퍼층 생성이 필수적임을 확인하였으며, 본 연구에서는 박막성장시 저온 버퍼 층을 성장시켜 실험을 진행하였다.

후속연구

결과적으로 acetate 수용액을 전구체로 이용한 새로운 도핑 방법이 Mg 불순물로 인해 UV 발광 효율 및 누설전류, 광전류와 같은 박막 특성이 향상되는 의미 있는 효과를 가져온 것으로 판단된다. 아직 초기 연구 단계임을 감안하여 이후 세부조건을 최적 화시킨다면 다양한 목적의 광전소자 응용이 가능한 우수한 UV 효율을 가지는 β-Ga₂O₃박막성장이 가능할 것으로 기대된다.

참고문헌 (15)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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