[논문]원뿔 형태의 patterned sapphire substrate 위에 성장한 α-Ga2O3의 특성분석

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

doi:10.6111/jkcgct.2019.29.4.173

초록
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본 연구에서는 halide vapor phase epitaxy 성장법을 이용하여 원뿔 형태의 패턴이 주기적으로 형성된 patterned sapphire substrate(PSS) 위에 ${\alpha}-Ga_2O_3$를 성장하고 그 특성에 변화에 대해 분석하였다. PSS의 패턴의 유무에 따른 영향을 알아보기 위해 c-plane 사파이어 기판과 원뿔의 크기가 다른 두 개의 PSS 위에 ${\alpha}-Ga_2O_3$를 성장하여 비교 분석하였다. 또한 PSS 위에 성장된 ${\alpha}-Ga_2O_3$의 성장과정을 알아보기 위해 점차 성장 시간을 증가해가며 관찰하였고 성장 온도를 $470-550^{\circ}C$까지 변화해가며 성장하였다. 이를 통해 원뿔 형태의 패턴이 형성된 PSS 위에서의 최적 성장 조건과 그 성장 mechanism에 대해 분석이 가능하였고 그 결과로 성장과정에서 발생하는 수평 성장에 의해 ${\alpha}-Ga_2O_3$의 비대칭면인 (10-14) 반치폭 값을 크게 감소시킬 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we demonstrated a characterization of ${\alpha}-Ga_2O_3$ grown on a cone-shape patterned sapphire substrate by using the halide vapor phase epitaxy. An ${\alpha}-Ga_2O_3$ was grown on different size of PSS and c-plane sapphire substrate for comparison to confirm ...

In this study, we demonstrated a characterization of ${\alpha}-Ga_2O_3$ grown on a cone-shape patterned sapphire substrate by using the halide vapor phase epitaxy. An ${\alpha}-Ga_2O_3$ was grown on different size of PSS and c-plane sapphire substrate for comparison to confirm the effect of PSS. In addition, growth time of ${\alpha}-Ga_2O_3$ was gradually increased to confirm growth mechanism of ${\alpha}-Ga_2O_3$ grown on the PSS. A growth temperature was changed to $470-550^{\circ}C$. It can be analyzed growth conditions and mechanisms on the cone-shape PSS, resulting in a significant decrease in the FWHM value of an asymmetric plane (10-14) of ${\alpha}-Ga_2O_3$, due to lateral growth that occurs during the growth process.

주제어

표/그림 (6)

표 Table 1 Surface roughness of α-Ga₂O₃ epilayers with pattern size and growth temperature
그림 Fig. 1. FE-SEM images of surface and cross-sections of α-Ga₂O₃ epilayer grown on (a, b) planar sapphire and (c, d) α-Ga₂O₃ epilayers grown on 1 × 1 PSS and (e, f) 2 × 1 PSS at 470℃.
그림 Fig. 2. FE-SEM images of surface and cross-sections for (a, b) 1 × 1 PSS, (c, d) α-Ga₂O₃ grown on 1 × 1 PSS at 470℃ for 10 min, (e, f) 20 min, and (g, h) 35 min.
그림 Fig. 3. Photo and OM images of α-Ga₂O₃ epilayers grown on 1 × 1 PSS at 470℃ (a, b), 500℃ (c, d), 520℃ (e, f) and 550℃ (g, h).
그림 Fig. 4. θ/2θ XRD spectra of the α-Ga₂O₃ epilayers grown on 1 × 1 PSS at different temperature.
표 Table 2 FWHM values of α-Ga₂O₃ epilayers grown on conventional sapphire and PSS

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 HVPE 장비를 이용하여 PSS 위에 αGa₂O₃에피층을 성장하였고 성장된 α-Ga₂O₃ 에피층의 특성을 연구하였다. 성장된 에피층의 특성을 비교하기위해 일반 사파이어와 PSS를 사용하였고 패턴의 크기 변화에 따른 특성 변화를 확인하기 위해 서로 다른 크기의 PSS를 적용하였다.

제안 방법

성장된 에피층의 특성을 비교하기위해 일반 사파이어와 PSS를 사용하였고 패턴의 크기 변화에 따른 특성 변화를 확인하기 위해 서로 다른 크기의 PSS를 적용하였다. 또한 α-Ga₂O₃ 에피층의 성장 온도를 변화시켜 PSS 위에 성장된 α-Ga₂O₃ 에피층의 최적 성장 온도에 대한 연구를 진행하였다.
에피층의 특성을 연구하였다. 성장된 에피층의 특성을 비교하기위해 일반 사파이어와 PSS를 사용하였고 패턴의 크기 변화에 따른 특성 변화를 확인하기 위해 서로 다른 크기의 PSS를 적용하였다. 또한 α-Ga₂O₃ 에피층의 성장 온도를 변화시켜 PSS 위에 성장된 α-Ga₂O₃ 에피층의 최적 성장 온도에 대한 연구를 진행하였다.

대상 데이터

성장 영역에는 기판이 위치해 있어 소스 영역에서 생성된 GaCl_x와 산소가 반응하여 Ga₂O₃ 에피층을 형성한다. 각 반응 가스를 소스 영역에서 성장 영역으로 이동시키기 위한 캐리어(carrier)가스는 고순도 질소를 사용하였다.

이론/모형

에피층의 표면 형상을 확인하기 위해 광학현미경(Optical Microscope, Olympus, BX51), 원자현미경(Atomic Force Microscope, Em4sys, Nano xpert II)과 전계방출형 주사전자현미경(Field Emission-ScanningElectron Microscope, Jeol, JSM-6700F)을 통해 측정하였다. 또한 X선 회절 분석법(X-Ray Diffraction, Rigaku, D/max2500)을 이용해 α-Ga₂O₃ 에피층의 결정성을 관찰하였다.
본 연구의 α-Ga₂O₃ 에피층은 수평형 HVPE 방법으로 성장되었다. HVPE 장비는 소스 영역과 성장 영역으로 구분되어 있고 성장 온도는 저항 가열 방식으로 조절된다.

성능/효과

원뿔 형태의 패턴 크기가 직경이 1 μm이고 높이가 1 μm인 PSS 위에 성장된 α-Ga₂O₃ 에피층의 표면은 균일하고 빠른 성장 속도에도 매끄러운 표면 상태를 나타냈다. 또한, 470~500°C 성장 온도에서 성장된 에피층은 XRD 측정 결과에 의해 알파상으로 확인되었고 잔류응력이 거의 없는 상태로 성장되었다. 본 연구를 통해서 원뿔 형태의 패턴 크기가 직경이 1 μm이고 높이가 1 μm인 PSS 위에 500°C에서 성장한 α-Ga₂O₃ 에피층의 결정성은 (0006) 반치폭 772 arcsec,(10-14) 반치폭 1035 arcsec을 나타내었으며 이는 α-Ga₂O₃의 수평 성장에 의해 결정성이 향상되었다.
또한, 470~500°C 성장 온도에서 성장된 에피층은 XRD 측정 결과에 의해 알파상으로 확인되었고 잔류응력이 거의 없는 상태로 성장되었다. 본 연구를 통해서 원뿔 형태의 패턴 크기가 직경이 1 μm이고 높이가 1 μm인 PSS 위에 500°C에서 성장한 α-Ga₂O₃ 에피층의 결정성은 (0006) 반치폭 772 arcsec,(10-14) 반치폭 1035 arcsec을 나타내었으며 이는 α-Ga₂O₃의 수평 성장에 의해 결정성이 향상되었다.
α-Ga₂O₃ 에피층은 패턴의 크기와 성장 온도를 변화시키며 성장하였고 그 특성을 분석하였다. 원뿔 형태의 패턴 크기가 직경이 1 μm이고 높이가 1 μm인 PSS 위에 성장된 α-Ga₂O₃ 에피층의 표면은 균일하고 빠른 성장 속도에도 매끄러운 표면 상태를 나타냈다. 또한, 470~500°C 성장 온도에서 성장된 에피층은 XRD 측정 결과에 의해 알파상으로 확인되었고 잔류응력이 거의 없는 상태로 성장되었다.

후속연구

원뿔 형태의 PSS를 이용한 α-Ga₂O₃ 에피 성장을 통해 결정성을 향상시킬 수 있는방법 중에 하나이며 c-축 성장되는 α-Ga₂O₃의수평 성장을 통해 원뿔 형태의 패턴에서 성장되는 에피층 억제가 가장 중요하다고 판단된다. 또한 PSS의 패턴의 형태와크기는 다양하게 형성이 가능하기 때문에 성장 조건을 통한 제어와 동시에 패턴 형상 제어를 통한 결정성 향상에 대한 연구도 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	밴드갭이 큰 전력반도체에는 어떤 이점이 있는가?	밴드갭이 클수록 전력반도체에 매우 유리한 이점을 가진다. 고온에서 작동이 가능하고 고전압에서 견딜 수 있는 높은 항복 전압 특성을 보인다. 또한 고집적 디바이스를 제작할 수 있어 에너지효율 증대에도 효과적이다. 전력반도체용 소재로의 상대적인 우수성을 나타내는 Baliga’s figure of merit(FOM)는3000 이상으로 매우 높은 수치를 보여주고 있다[4].
	갈륨 산화물이란 무엇인가?	갈륨 산화물은 3.4 eV보다 더 넓은 4.8~5.3 eV의 밴드갭을 가지고 있어 울트라 와이드 밴드갭(Ultra-Wide Bandgap) 반도체 물질로 구분된다. 밴드갭이 클수록 전력반도체에 매우 유리한 이점을 가진다.
	HVPE 장비가 양산형 시스템에 적합한 이유는 무엇인가?	그러나 성장률이 시간당 수 백 나노로성장된다는 단점이 있다. 마지막으로 HVPE 장비는 성장률이 다른 장비와 비교하여 수 배에서 수 십 배 이상 빠르기 때문에 향후 양산형 시스템에 적합한 장비로 여겨진다. 고순도의 전구체를 사용하기 때문에 성장된 박막의 불순물 농도가 매우 낮은 장점이 있다.

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