[논문]HVPE 방법으로 성장된 알파-갈륨 옥사이드의 전처리 공정에 따른 특성 변화

최예지; 손호기; 라용호; 이영진; 김진호; 황종희; 김선욱; 임태영; 전대우

doi:10.4313/jkem.2019.32.5.426

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In this study, we report the effect of pre-treatment of alpha-$Ga_2O_3$ grown on a sapphire substrate by halide vapor phase epitaxy (HVPE). During the pre-treatment process, 10 sccm of GaCl gas was injected to the sapphire substrate at $470^{\circ}C$. The surface morphologies o...

In this study, we report the effect of pre-treatment of alpha-$Ga_2O_3$ grown on a sapphire substrate by halide vapor phase epitaxy (HVPE). During the pre-treatment process, 10 sccm of GaCl gas was injected to the sapphire substrate at $470^{\circ}C$. The surface morphologies of the alpha-$Ga_2O_3$ layers grown with various pre-treatment time (3, 5, and 10 min) were flat and crack-free. The transmittance of the alpha-$Ga_2O_3$ epi-layers was measured to analyze their optical properties. The transmittance was over 80% within the range of visible light. The strain in the alpha-$Ga_2O_3$ grown with a pre-treat 5 min was measured, and was found to be close to the theoretical XRD peak position. This can be explained by the reduction of strain having caused a lattice mismatch between the alpha-$Ga_2O_3$ layer and sapphire substrate. The calculated dislocation density of the screw and edge were $2.5{\times}10^5cm^{-2}$ and $8.8{\times}10^9cm^{-2}$, respectively.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Schematic diagram, AFM and FE-SEM images for pretreatment process.
그림 Fig. 2. OM and photo images of α-Ga₂O₃ for sample ref. A, B, and C.
그림 Fig. 3. AFM image of ɑ-Ga₂O₃ for sample ref. A, B, and C.
그림 Fig. 4. XRD θ/2θ scan spectra and transmittance of ɑ-Ga₂O₃ for sample ref, A, B, and C.
표 Table 1. (0006) and (10-14) FWHM of ɑ-Ga₂O₃ for sample ref, A, B and C.

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문제 정의

본 연구에서는 HVPE 성장법을 이용하여 알파-갈륨 옥사이드 에피층 성장 시의 전처리 공정 효과에 대해 알아보았다. 전처리 공정 이후 성장된 에피층은 균열이 없는 경면으로 성장하였으며, 전처리 공정을 통해 모든 샘플의 광학 특성과 결정 특성이 향상되는 것으로 나 타났다.
본 연구에서는, 결정학적⋅광학적 특성이 우수한 알 파-갈륨 옥사이드의 성장을 위한 전처리 공정의 효과에 대해 연구하였다.

제안 방법

성장 이후 샘플의 표면은 전계 방출-주사전자현미경 (FE-SEM), 광학 현미경(OM)과 원자 간력 현미경 (AFM) 측정을 통해 확인하였다. 샘플의 결정 특성은 X-ray 회절 분석법(XRD) 측정으로 얻은 알파-갈륨 옥 사이드의 피크 위치와 강도를 통해 확인하였으며, 고 해상도 X-Ray 회절 분석법(HR-XRD) 측정을 통해 반 치폭(FWHM) 변화를 확인하고 전위밀도를 계산하였다. 샘플의 광학적 특성을 알아보기 위해 자외선-가시광선 분광기(UV-vis)로 투과율을 측정하였다.
샘플의 결정 특성은 X-ray 회절 분석법(XRD) 측정으로 얻은 알파-갈륨 옥 사이드의 피크 위치와 강도를 통해 확인하였으며, 고 해상도 X-Ray 회절 분석법(HR-XRD) 측정을 통해 반 치폭(FWHM) 변화를 확인하고 전위밀도를 계산하였다. 샘플의 광학적 특성을 알아보기 위해 자외선-가시광선 분광기(UV-vis)로 투과율을 측정하였다.
성장 이후 샘플의 표면은 전계 방출-주사전자현미경 (FE-SEM), 광학 현미경(OM)과 원자 간력 현미경 (AFM) 측정을 통해 확인하였다. 샘플의 결정 특성은 X-ray 회절 분석법(XRD) 측정으로 얻은 알파-갈륨 옥 사이드의 피크 위치와 강도를 통해 확인하였으며, 고 해상도 X-Ray 회절 분석법(HR-XRD) 측정을 통해 반 치폭(FWHM) 변화를 확인하고 전위밀도를 계산하였다.
본 연구에서는, 결정학적⋅광학적 특성이 우수한 알 파-갈륨 옥사이드의 성장을 위한 전처리 공정의 효과에 대해 연구하였다. 알파-갈륨 옥사이드는 HVPE 성 장법을 이용하여 사파이어 기판 위에 성장하였으며 전 처리 공정이 알파-갈륨 옥사이드 박막의 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해 전처리 시간과 성장시간에 따른 변화를 관찰하였다.
전처리 공정 시에는 산소를 주입하지 않으며 HCl과 금속갈륨의 반 응을 통해 생성되는 GaCl_χ만을 반응 영역으로 주입시 켰다. 전처리 공정의 영향을 세부적으로 비교하기 위해 전처리 시간은 각각 1분, 5분, 10분으로 하고 이후의 성장 시간은 10분으로 하여 전처리 공정이 본 성장에 미치는 직접적인 영향을 알아보았다. 전처리 공정 조건에 따라 sample A, B, C라고 한다(sample A: 전처리 1분-성장 10분, sample B: 전처리 5분-성장 10분, sample C: 전처리 10분-성장 10분).

대상 데이터

수평형으로 제작된 HVPE 장비를 이용하여 알파-갈 륨 옥사이드를 사파이어 기판 위에 성장하였다. 사용된 HVPE 장비는 저항 가열 방식으로 승온되고 소스 영역 과 성장영역으로 구성되어 있다. 소스 영역에서는 III족 의 전구체로 사용되는 금속 갈륨과 HCl의 반응을 통하 여 GaClχ가 생성되고 성장영역에서 주입된 산소와 반응하여 갈륨 옥사이드가 사파이어 기판 위에 성장된다.

이론/모형

또한, 액상 성장을 통한 단결정 벌크 성장이 가능하여 높은 가격 경쟁력을 갖추고 있다 [3]. 갈륨 옥사이드 기판 제작에는 floating zone, edge defined film fed growth, Czocharalski 방법으로 성장한 단결정 벌크를 사용한다 [3]. 제작된 갈륨 옥사이드 기판을 이용하여 그 위에 에피택시 방법으로 갈륨 옥사이드 에피를 성장하여 전기적⋅광학적 특성이 우수한 자외선 광 검출기, 투명한 전도성 필름, 가스 센서, 산화막 반도체 전기장 효과 트랜지스터 (MOSFET), 쇼트키 배리어 다이오드(SBDs) 등의 소자로 제작된다 [4,5].

성능/효과

603 nm로 매끄러운 표면 특성을 보였다. 또한, XRD 피크의 위치가 이론값에 가장 가깝게 나타났으며 (0006) 반치폭 29 arcsec으로 매우 낮은 값으로 나타났으며 투과율은 약 90% 정도로 매우 높게 나타났다. 따라서 전처리 공정이 사파이어 기판과 알파-갈륨 옥사이드의 헤테로-에피택시로 인한 격자 상수 차이에 의해 발생되는 응력을 완화해 주는 것으로 판단되며 사파이어 기판과의 갈륨 옥사이드의 계면에 형성되는 결함밀도는 전처리 공정의 시간에 따른 버퍼층의 형태에 따라 변화되는 것으로 사료된다.
이는 sample ref.와 sample B를 비교해 보면 앞서 측정된 다른 결과들과 유사한 경향을 보였으며, 특히 (0006) 반치폭이 매우 개선되어 나타났다. (0006) 반치폭은 c-축 방향의 변형과 관련이 있으며, 이를 바탕으로 나선형 전위밀도를 구할 수 있다.
이 결과를 볼 때 사파이어 기판 위에 알파-갈륨 옥사이드 성장 시에 전처리 공정을 통해서 성장 되는 박막의 결정성을 개선할 수 있으며 전처리 공정 시간에 따라서 특성이 개선될 수 있다고 판단된다.
이 구조는 에피택셜 성장에서 유리한 장점이 있다 [18]. 전처리 10분 샘플의 경 우에는 전처리 5분의 샘플에서 보이던 구조는 사라지 고 박막으로 성장 되는 것이 확인되었다.
본 연구에서는 HVPE 성장법을 이용하여 알파-갈륨 옥사이드 에피층 성장 시의 전처리 공정 효과에 대해 알아보았다. 전처리 공정 이후 성장된 에피층은 균열이 없는 경면으로 성장하였으며, 전처리 공정을 통해 모든 샘플의 광학 특성과 결정 특성이 향상되는 것으로 나 타났다. 특히, 전처리 5분 공정 이후 성장 된 샘플은 표면 거칠기가 1.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	갈륨 옥사이드의 특성은?	갈륨 옥사이드(gallium oxide, Ga2O3)는 III-VI족으로 투명하고 넓은 밴드갭을 가지는 소재이며, Baliga’s figure of merit (BFOM)과 Johnson’s figure of merit (JFOM) 수치가 높아 차세대 전력 반도체 소재로서의 큰 잠재력을 가지고 있다고 할 수 있다. BFOM과 JFOM은 소재가 가지고 있는 전기적 및 물리적 특성(전자 이동 도, 항복전압, 열전도성등)을하나의종합적인개념 으로 표현하기 위한 것으로, 기존의 반도체 소자 재료 와의 상대적인 수치를 나타내어 재료의 가치를 표현한 다 [1].
	갈륨 옥사이드가 차세대 전력 반도체 소재로서 기대되는 이유는?	갈륨 옥사이드(gallium oxide, Ga2O3)는 III-VI족으로 투명하고 넓은 밴드갭을 가지는 소재이며, Baliga’s figure of merit (BFOM)과 Johnson’s figure of merit (JFOM) 수치가 높아 차세대 전력 반도체 소재로서의 큰 잠재력을 가지고 있다고 할 수 있다. BFOM과 JFOM은 소재가 가지고 있는 전기적 및 물리적 특성(전자 이동 도, 항복전압, 열전도성등)을하나의종합적인개념 으로 표현하기 위한 것으로, 기존의 반도체 소자 재료 와의 상대적인 수치를 나타내어 재료의 가치를 표현한 다 [1].
	갈륨 옥사이드를 기반으로 한 소자가 SiC 기반의 소자와 비교하였을 때, 가격 경쟁력이 높은 이유는 무엇인가?	갈륨 옥사이드를 기반으로 한 소자는 SiC 기반의 소 자와 비교해서 높은 동작 온도와 낮은 누설 전류로 전 력 손실이 적고, 높은 항복 전압과 온-저항으로 임계 전계가 우수하다. 또한, 액상 성장을 통한 단결정 벌크 성장이 가능하여 높은 가격 경쟁력을 갖추고 있다 [3]. 갈륨 옥사이드 기판 제작에는 floating zone, edge defined film fed growth, Czocharalski 방법으로 성 장한 단결정 벌크를 사용한다 [3].

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