[논문]열처리 공정을 이용한 Si-doped β-Ga2O3 박막의 전기적 특성의 이해

이경렬; 박류빈

doi:10.6117/kmeps.2020.27.4.019

열처리 공정을 이용한 Si-doped β-Ga2O3 박막의 전기적 특성의 이해
Understanding the Electrical Property of Si-doped β-Ga2O3 via Thermal Annealing Process 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.27 no.4, 2020년, pp.19 - 24

이경렬 (경북대학교 신소재공학부 전자재료전공) , 박류빈 (경북대학교 신소재공학부 전자재료전공)

초록
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열처리 공정을 이용하여 Si 도핑된 n형 β-Ga2O3의 전기적 특성을 변화시킨 후 전도도 변화 메커니즘에 대한 분석을 진행하였다. β-Ga2O3 시편들은 공기 또는 N2 분위기에서 800℃~1,200℃ 온도범위 내에서 30분 동안 열처리되었다. 우선 열처리로 인한 결정성 개선은 전기 전도도에 영향을 미치지 않음을 확인하였다. 하지만 공기중 열처리된 시편은 전도성이 악화된 반면 N2 열처리된 시편은 Hall 캐리어 농도와 이동도가 일부 개선되는 경향성을 보였다. X-ray photoemission spectroscopy(XPS)분석 결과, 산소공공(VO)의 농도는 가스 분위기에 상관없이 모든 열처리된 시편에서 증가하는 경향성을 보였다. 공기중 열처리된 시편에서의 VO 농도 증가는 β-Ga2O3내 VO가 Shallow donor가 아님을 보여주는 결과로 볼 수 있다. 그러므로 N2 열처리된 시편은 VO가 아닌 다른 메커니즘에 의해서 전도도가 향상되었을 가능성이 높다. Si의 경우 SiOx 결합상태를 보이는 Si의 농도가 열처리 온도 증가에 따라 증가하는 경향성을 보였다. 특이하게도 SiOx의 Si 2p peak의 면적 증가는 기존 Si의 화학적 변화 보다는 XPS 측정 영역내 Si농도 증가로 보였으며, SiOx와 전기전도도와의 상관성은 확인할 수 없었다. 결론적으로 본 연구를 통해 기존 보고된 실험결과와 달리 VO가 Deep donor임을 확인하였다. 이와 같은 β-Ga2O3 전도성의 결함 및 불순물 의존도에 대한 연구는 β-Ga2O3의 전기적 특성의 근본적인 이해를 바탕으로 물성 개선에 기여할 것으로 본다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, the electrical property of Si-doped β-Ga2O3 was investigated via a post-growth annealing process. The Ga2O3 samples were annealed under air (O-rich) or N2 (O-deficient) ambient at 800~1,200℃ for 30 mins. There was no correlation between the crystalline quality and the electrical conductivity of the films within the experimental conditions explored in this work. However, it was observed the air ambient led to severe degradation of the film's electrical conductivity while N2-annealed samples exhibited improvement in both the carrier concentration and Hall mobility measured at room temperature. Interestingly, the x-ray photoemission spectroscopy (XPS) revealed that both annealing conditions resulted in higher concentration of oxygen vacancy (VO). Although it was a slight increase for the air-annealed sample, high resistivity of the film strongly suggests that VO cannot be a shallow donor in β-Ga2O3. Therefore, the enhancement of the electrical conductivity of N2-annealed samples must be originated from something other than VO. One possibility is the activation of Si. The XPS analysis of N2-annealed samples showed increasing relative peak area of Si 2p associated with SiOx with increasing annealing temperature from 800 to 1,200℃. However, it was unclear whether or not this SiOx was responsible for the improvement as the electrical conductivity quickly degraded above 1,000℃ even under N2 ambient. Furthermore, XPS suggested the concentration of Si actually increased near the surface as opposed to the shift of the binding energy of Si from its initial chemical state to SiOx state. This study illustrates the electrical changes induced by a post-growth thermal annealing process can be utilized to probe the chemical and electrical states of vacancies and dopants for better understanding of the electrical property of Si-doped β-Ga2O3.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. XRD 2θ-ω scan of sample A showing the singe phase β-Ga₂O₃.
$Fig. 2. FWHM values of on-axis (<TEX>$\bar{2}$</TEX>01) rocking curve as a function of annealing temperature under N2 ambient.$ 그림 Fig. 2. FWHM values of on-axis ($\bar{2}$01) rocking curve as a function of annealing temperature under N2 ambient.
표 Table 1. Summary of thermal annealing conditions
그림 Fig. 3. XPS spectra of O 1s from samples (a) A, (b) B, (c) C, (d) D, and (e) E.
그림 Fig. 4. XPS spectra of Ga 3d from samples (a) A, (b) B, and (c) C. The red dotted line indicates the shift of main Ga 3d peak associated with Ga-O bonds in the stoichiometric Ga₂O₃.
그림 Fig. 5. XPS spectra of Si 2p from samples (a) A, (b) B, (c) C, and (d) E.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 Si 도핑된 β-Ga₂O₃ 시편을 이용하여 다양한 조건에서 열처리 후 시편의 전기 전도도 변화와 X-ray photoemission spectroscopy(XPS) 기반 V_O와 Si 의 화학적 상태 변화의 연관성에 대해서 분석을 시도하였다.

가설 설정

3(a))와 Sample B(Fig. 3(b))를비교해보면 V_O peak의 면적의 변화가 거의 없다. Main peak의 면적을 기준으로 V_O peak의 면적비를 계산해보면 Sample B가 면적비가 17.

제안 방법

O 1s peak 외에도 Ga과 Si 관련 XPS peak 대한 분석도 진행하였다. Fig.
이때 Si도핑 농도는 2×10¹⁸ cm⁻³ 수준이었다. β-Ga₂O₃ 시편들은 공기 또는 질소 분위기에서 800^oC~1, 200^oC로 30분 열처리 공정을 진행하였다. 열처리 조건에 대한 세부 사항은 Table 1에 요약되어 있다.
하지만 공기 분위기와 N₂ 분위기 열처리에 따른 전기 전도도의 차이는 확인할 수 있었다. 그러므로 Si 도핑의 활성화 관점에서 열처리 분위기의 영향을 분석을 시도하였다. Si이 SiO_x의 결합상태임을 확인은 했지만 특이하게도 Si의 화학적 변화 보다는 XPS분석 영역내 Si의 절대 농도가 증가하는 경향성을 보였다.
표면에서 열적 분해 발생 여부를 판단하기 위해 Scanning electron microscopy로 표면형상 변화를 관측했으며, 상온 Hall 효과 측정을 통해 열처리 따른 전기 전도도의 변화를 측정하였다. 그리고 마지막으로 XPS로 시편내 화학적 상태의 변화와 전기 전도도의 연관성에 대한 분석을 시도하였다.
다음으로 본 연구의 실험조건 내에서 결정성과 전기 전도도 간의 상관관계를 분석하였다. Table 1을 보면 Sample A(as-is)의 Hall 농도는 ~7×10¹⁷ cm⁻³, 이동도는 3.
먼저 사파이어 위에 성장된 β-Ga₂O₃의 단결정 여부를 XRD 2θ-ω 스캔을 통해 확인하였다. Fig.
본 실험에서는 Si 도핑이 된 β-Ga₂O₃의 전기적 특성의 열처리 조건에 따른 V_O 및 Si의 화학적 변화를 XPS를통해 분석하였다. 기존 실험 결과들과는 달리 V_O 농도와 전기 전도도 개선 사이 상관관계를 보지 못했다.
시편내 V_O 변화를 보기 위해 우선 XPS로 O 1s peak을 분석해보았다. Stoichiometric Ga₂O₃의 O 1s의 결합 에너지(binding energy, BE) 위치는 529.
열처리 조건에 대한 세부 사항은 Table 1에 요약되어 있다. 이종 기판 성장이기 때문에 열처리 온도에 따라 결정성 변화가 있을 수 있어서 X- ray diffraction(XRD)로 결정성 변화를 분석하였다. 표면에서 열적 분해 발생 여부를 판단하기 위해 Scanning electron microscopy로 표면형상 변화를 관측했으며, 상온 Hall 효과 측정을 통해 열처리 따른 전기 전도도의 변화를 측정하였다.
이종 기판 성장이기 때문에 열처리 온도에 따라 결정성 변화가 있을 수 있어서 X- ray diffraction(XRD)로 결정성 변화를 분석하였다. 표면에서 열적 분해 발생 여부를 판단하기 위해 Scanning electron microscopy로 표면형상 변화를 관측했으며, 상온 Hall 효과 측정을 통해 열처리 따른 전기 전도도의 변화를 측정하였다. 그리고 마지막으로 XPS로 시편내 화학적 상태의 변화와 전기 전도도의 연관성에 대한 분석을 시도하였다.

성능/효과

그러므로 Si 도핑의 활성화 관점에서 열처리 분위기의 영향을 분석을 시도하였다. Si이 SiO_x의 결합상태임을 확인은 했지만 특이하게도 Si의 화학적 변화 보다는 XPS분석 영역내 Si의 절대 농도가 증가하는 경향성을 보였다. 결론적으로 산소 분위기 열처리에 따른 Ga₂O₃의 전기 전도도의 변화는 V_O와는 무관한 것으로 보이지만 Si의 활성화/비활성화 현상을 XPS 분석으로는 확인이 어려웠다.
Si이 SiO_x의 결합상태임을 확인은 했지만 특이하게도 Si의 화학적 변화 보다는 XPS분석 영역내 Si의 절대 농도가 증가하는 경향성을 보였다. 결론적으로 산소 분위기 열처리에 따른 Ga₂O₃의 전기 전도도의 변화는 V_O와는 무관한 것으로 보이지만 Si의 활성화/비활성화 현상을 XPS 분석으로는 확인이 어려웠다. V_Ga와 Si Compensation 효과와의 상관성에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 본다.
5에서 SiO_x 관련 Si 2p peak의 면적 증가에 따른 다른 화학적 상태를 가지고 있는 Si 2p의 면적 감소는 본 실험에서는 확인할 수 없었다. 따라서 이 결과만 놓고 본다면 XPS분석 영역에서 Si 농도 자체가 증가한 것으로 해석이 가능하다. Ga₂O₃의 열적 분해 가능성이 낮기 때문에 시편 마다 다른 영역을 분석했다고 보기는 어렵다.
하지만 이 경우 플라즈마로 인한 표면 Damage 효과를 무시할 수 없기 때문에 잘못된 결론을 내릴 가능성이 있다. 본 실험 결과는 보다 명확하게 V_O와전도도 사이에 상관관계가 없음을 보여주고 있다. 그러므로 V_O가 shallow가 아닌 deep donor일 가능성이 높으며 이는 이론적 예측과도 부합하는 결과이다.
13%로 소폭 증가하였다. 이 결과를 놓고 본다면 공기중 열처리로 인한 전기전도도 악화와 V_O 농도 변화는 상관성이 없음을 알 수 있다. Fig.

후속연구

결론적으로 산소 분위기 열처리에 따른 Ga₂O₃의 전기 전도도의 변화는 V_O와는 무관한 것으로 보이지만 Si의 활성화/비활성화 현상을 XPS 분석으로는 확인이 어려웠다. V_Ga와 Si Compensation 효과와의 상관성에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 본다. 궁극적으로 Ga₂O₃ 전기적 특성에 대한 보다 근본적인 이해는 Ga₂O₃ 소자 성능 개선에도 기여할 수 있을 것이다.
V_Ga와 Si Compensation 효과와의 상관성에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 본다. 궁극적으로 Ga₂O₃ 전기적 특성에 대한 보다 근본적인 이해는 Ga₂O₃ 소자 성능 개선에도 기여할 수 있을 것이다.
Si의 화학적 상태 분석을 위해서는 박막의 두께별 XPS분석이 추가적으로 필요하다. 그리고 산소 분위기 열처리에 의한 전도도 변화는 V_O 농도의 변화 보다는 Si Compensation 효과가 있는 것으로 알려진 V_Ga의 역할이 클 가능성이 있기에 V_Ga 농도의 열처리 분위기 조건 의존도에 대한 연구가 필요하다.²⁴⁾
8eV, 8MV/cm 로 SiC과 GaN 대비 월등히 크기 때문에 고전력 밀도용 반도체 소재로 중요성이 부각되고 있다. 무엇보다도 β-Ga₂O₃는 Si 같이 Czochralski공법을 이용한 기판 성장이 가능하기에 고품질 기판의 대구경화 개발이 가능할 것으로 예상된다.^{6, 7)} 이러한 이유로 다른 상 대비 β- Ga₂O₃ 관련 연구가 활발히 진행중이고, 특히 동종기판 성장을 기반으로 한 고품질 박막 위에 Schottky barrier diode, Metal-oxide-semiconductor field effect transistor(MOSFET), Thyristor 같은 소자에 대한 결과가 많이 보고되고 있다.
하지만 이미 언급한 바와 같이 V_O의 역할이 명확하게 규명되지 않았기 때문에 V_O 농도 변화와 전기 전도도 변화가 직접적인 관련이 있는지는 추가 분석이 필요하다. 특히 Si 도핑이 된 고품질 Ga₂O₃ 박막에서도 유사한 현상이 보고된 점을 고려한다면 본 실험의 시편 자체 보다는 더 근본적인 메커니즘이 존재할 것으로본다.^19-21)
산소의 경우, 지금까지 보고된 연구결과와 비슷하게 산소 분압이 상대적으로 높은 분위기 때문에 전도도가 악화되는 것으로 해석할 수 있다. 하지만 이미 언급한 바와 같이 V_O의 역할이 명확하게 규명되지 않았기 때문에 V_O 농도 변화와 전기 전도도 변화가 직접적인 관련이 있는지는 추가 분석이 필요하다. 특히 Si 도핑이 된 고품질 Ga₂O₃ 박막에서도 유사한 현상이 보고된 점을 고려한다면 본 실험의 시편 자체 보다는 더 근본적인 메커니즘이 존재할 것으로본다.

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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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