[논문]후열 처리에 따른 Ga2O3/4H-SiC 이종접합 다이오드 특성 분석

이영재; 구상모

doi:10.4313/jkem.2020.33.2.155

후열 처리에 따른 Ga2O3/4H-SiC 이종접합 다이오드 특성 분석
Characteristics of Ga2O3/4H-SiC Heterojunction Diode with Annealing Process 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.33 no.2, 2020년, pp.155 - 160

이영재 (광운대학교 전자재료공학과) , 구상모 (광운대학교 전자재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Ga2O3/n-type 4H-SiC heterojunction diodes were fabricated by RF magnetron sputtering. The optical properties of Ga2O3 and electrical properties of diodes were investigated. I-V characteristics were compared with simulation data from the Atlas software. The band gap of Ga2O3 was changed from 5.01 eV to 4.88 eV through oxygen annealing. The doping concentration of Ga2O3 was extracted from C-V characteristics. The annealed oxygen exhibited twice higher doping concentration. The annealed diodes showed improved turn-on voltage (0.99 V) and lower leakage current (3 pA). Furthermore, the oxygen-annealed diodes exhibited a temperature cross-point when temperature increased, and its ideality factor was lower than that of as-grown diodes.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. (a) Ga₂O₃/4H-SiC heterojunction diode structure and (b) energy band diagram.
그림 Fig. 2. (a) Optical transmittance spectra of As-grown and annealed samples and (b) the plot of (αhν)²-hν.
그림 Fig. 3. (a) Typical capacitance-voltage characteristics and (b) 1/C²-V plot of Ga₂O₃/4H-SiC heterojunction diodes.
그림 Fig. 4. 2 theta XRD spectrum of the Ga₂O₃/4H-SiC.
그림 Fig. 5. Typical current-voltage characteristics of Ga₂O₃/4H-SiC heterojunction diodes.
그림 Fig. 6. I-V characteristics of Ga₂O₃/4H-SiC heterojunction diodes on increasing temperature for (a) As-grown and (b) O₂ annealed.
그림 Fig. 7. Ideality factor of diodes at different temperatures.

AI 본문요약
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가설 설정

Ga2O3의 도핑농도는 5×1015 cm-3로 가정하여 진행하였다.

제안 방법

본 연구에서, 우리는 n 타입 4H-SiC 기판 위에 RF sputter로 Ga₂O₃ 박막을 증착하여 이종접합 다이오드를 제작하였다. 그리고 산소 열처리에 따른 Ga₂O₃의 박막의 특성 변화를 확인하고 그에 따른 전기적 특성을 분석하였다.
Epi layer의 도핑 농도는 5×10¹⁶ cm^-3, substrate는 1×10¹⁹ cm^-3인 4H-SiC 웨이퍼를 사용하였다. 그리고 황산(H₂SO₄)와 과산화수소(H₂O₂)를 4：1로 혼합한 SPM 용액을 통해 기판을 클리닝 하고 buffered oxide etch 용액(BOE)을 사용하여 native SiO₂를 제거하였다. 음극 형성을 위해 전자빔 증착장비를 사용하여 120 nm 두께의 니켈(nickel)을 증착하였다.
그림 6은 온도에 의해 흐르는 전류량 변화를 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 두 다이오드를 25~175℃의 온도를 50℃씩 증가시키며 측정하였다. 그림 5(a)의 그림을 보면 알 수 있듯이, 온도가 높을수록 As-grown의 전류 그래프가 왼쪽으로 이동하는 것을 알 수 있다.
의 밴드갭 변화를 확인하기 위해 파장별 투과도를 측정하였다. 또한 전압에 따른 커패시턴스를 측정하여 공식을 통해 도핑 농도를 추출하여 비교하였다. 전 기적 성질을 분석하기 위해 전류-전압을 측정하였고 온도에 따른 전류량 변화를 확인하였으며 다이오드의 이상 계수를 추출하여 비교하였다.
본 연구에서는 4H-SiC 기판 위에 Ga2O3 박막을 증착하여 이종접합 다이오드를 제작하고 산소 후열처리에 따른 재료적, 전기적 특성을 비교 분석하였다.
재료적 성질 분석에서, 산소 후열 처리 유무에 따른 Ga₂O₃의 밴드갭 변화를 확인하기 위해 파장별 투과도를 측정하였다. 또한 전압에 따른 커패시턴스를 측정하여 공식을 통해 도핑 농도를 추출하여 비교하였다.
또한 전압에 따른 커패시턴스를 측정하여 공식을 통해 도핑 농도를 추출하여 비교하였다. 전 기적 성질을 분석하기 위해 전류-전압을 측정하였고 온도에 따른 전류량 변화를 확인하였으며 다이오드의 이상 계수를 추출하여 비교하였다.

대상 데이터

또한 급속 열처리장비를 사용하여, 950℃인 질소 분위기에서 10분간 열처리를 통해 MS 접합을 오믹화하였다. RF 스퍼터를 이용하여 Ga₂O₃ 박막을 4H-SiC 위에 증착하였다. 스퍼터 파워는 150 W이고 2인치 타겟을 사용하였다.
04 Å)로 이루어져 있고 이들의 격자 불일치 정도는 ~2% 미만이다 [13-15]. 본 연구에서, 우리는 n 타입 4H-SiC 기판 위에 RF sputter로 Ga₂O₃ 박막을 증착하여 이종접합 다이오드를 제작하였다. 그리고 산소 열처리에 따른 Ga₂O₃의 박막의 특성 변화를 확인하고 그에 따른 전기적 특성을 분석하였다.
RF 스퍼터를 이용하여 Ga₂O₃ 박막을 4H-SiC 위에 증착하였다. 스퍼터 파워는 150 W이고 2인치 타겟을 사용하였다. Ar 가스는 4.
그리고 황산(H₂SO₄)와 과산화수소(H₂O₂)를 4：1로 혼합한 SPM 용액을 통해 기판을 클리닝 하고 buffered oxide etch 용액(BOE)을 사용하여 native SiO₂를 제거하였다. 음극 형성을 위해 전자빔 증착장비를 사용하여 120 nm 두께의 니켈(nickel)을 증착하였다. 또한 급속 열처리장비를 사용하여, 950℃인 질소 분위기에서 10분간 열처리를 통해 MS 접합을 오믹화하였다.

성능/효과

하지만 그림 6(b)에서는 특전 전압 부근에서 온도가 높을수록 전류량이 감소하여 교차되는 TCP (temperature cross point)가 확인되었다. 1.2 V 이하의 전압에서 가장 높은 온도인 175℃의 전류량이 가장 컸지만 전압이 증가하면서 전류량은 다른 온도에서의 전류량보다 작은 값을 가지게 된다. 또한 가장 낮은 전류량을 가졌던 25℃에서의 전류량이 1.
위 그림에서, Ga₂O₃ (-201)와 (-401) 면에 대하여 약 24°와 36°에서 분명한 peak이 보이며, 이는 monoclinic 구조의 결정면에 대응하는 결과이다. As-grown에서보다 산소 후열처리를 통해서 상대적으로 해당 결정면 peak의 크기가 커진 것을 확인하였다.
0 V 전압에서의 전류를 선형화하였을 때 x 절편을 구하여 문턱 전압을 추출하였다. As-grown의 문턱 전압은 ~1.16 V이고 산소 후열 처리한 다이오드는 ~0.99 V로 더 우수한 온-특성을 보였다. 또한 -3 V 기준에서 측정된 역전류의 크기는 열처리 전과 후 각각 ~1.
8 이상의 높은 투과율을 보였다. As-grown의 투과도가 후열처리 공정을 한 샘플보다 약 11% 더 큰 것을 확인하였다. 그림 2(b)는 (ahv)²-hv 그래프로, 직접 천이로 가정하고 에너지 밴드 갭을 계산하여 추출하였다.
이때 샘플의 에너지 밴드갭은 (ahv)²-hv의 그래프에서 직선 구간의 접선을 연장한 (ahv)2＝0이 되는 지점인 x 절편의 광자에너지로 계산된다. 그 결과, As-grown의 샘플 의 밴드갭은 5.01 eV이고 산소 후열처리 공정을 한 후의 밴드갭은 4.88 eV로 감소하였다.
처음 측정값 설정 시, 4H-SiC 기판을 측정한 투과도를 레퍼런스로 설정하였고 최대 크기의 투과도를 기준으로 표준화한 투과도를 그래프로 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이,Ga₂O₃박막의 밴드갭 에너지에 대응되는 220 nm 파장대의 부근에서는 강한 광흡수 현상으로 인해 투과율이 크게 감소하였으며, 275 nm 이상의 파장에서는 0.8 이상의 높은 투과율을 보였다. As-grown의 투과도가 후열처리 공정을 한 샘플보다 약 11% 더 큰 것을 확인하였다.
Ga₂O₃의 도핑농도는 5×10¹⁵ cm^-3로 가정하여 진행하였다. 두 재료의 이종접합을 통해 가전자대와 전도 대의 offset은 2.11 eV과 0.55 eV로 형성되는 것을 확인하였다. 양극에 순방향 전압이 인가될 때, 4H-SiC 에 존재하는 전자들이 Ga₂O₃로 넘어가기 쉽다.
99 V로 더 우수한 온-특성을 보였다. 또한 -3 V 기준에서 측정된 역전류의 크기는 열처리 전과 후 각각 ~1.7 nA와 ~3 pA로서, 열처리를 통해 약 500배 이상 누설전류가 감소함을 확인하였다. 순방향 전압의 경우, 후열 처리를 한 다이오드가 더 큰 전류량을 가진다.
2 V 이하의 전압에서 가장 높은 온도인 175℃의 전류량이 가장 컸지만 전압이 증가하면서 전류량은 다른 온도에서의 전류량보다 작은 값을 가지게 된다. 또한 가장 낮은 전류량을 가졌던 25℃에서의 전류량이 1.6V 이상에서 가장 큰 값을 가지는 것을 확인하였다.
그림 7은 두 다이오드가 온도에 따른 이상계수의 변 화를 그래프로 나타낸 것이다. 온도가 증가함에 따라 두 다이오드의 이상 계수의 크기가 작아지면서 1에 수렴함을 보였다. 상온에서 175℃까지 온도가 증가할 때, As-grown의 경우 2.
그림 5(a)의 그림을 보면 알 수 있듯이, 온도가 높을수록 As-grown의 전류 그래프가 왼쪽으로 이동하는 것을 알 수 있다. 온도가 증가함에 따라 문턱전압이 낮아지고 전류량은 커지는 것을 확인하였다.
이는 온도가 커 짐에 따라 격자 진동이 일어나 캐리어 이동도가 낮아져 저항이 커지는 것으로 판단된다. 이상 계수는 온도가 증가함에 따라 1에 수렴하는 크기를 가졌으며 산소 후열처리를 한 다이오드의 이상 계수가 더 작은 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고에너지 밴드갭 소재란 무엇인가?	고에너지 밴드갭 소재는 실리콘 대비 고주파, 고전력 고온용 반도체 소자에 대한 적용이 가능한 우수한 소재이다 [1,2].
	탄화규소(silicon carbide)가 고온용 소자에 널리 사용된 이유는?	탄화규소(silicon carbide)는 규소(Si)와 탄소(C)의 강한 공유결합으로 이루어진 화합물로 열적 안정성, 부식 저항성, 가벼움이 있어 고온용 소자에 널리 사용되어 왔다. SiC의 열전도율은 ~4.
	산화갈륨(gallium oxide)은 성장조건에 따라 어떤 형태로 존재하는가?	Ga2O3의 경우 성장 조건에 따라 α, β, γ, δ, 그리고 ε-phase로 총 다섯 가지의 상이 존재한다. 이 중 β-Ga2O3는 monoclinic 구조로서 화학/열역학적으로 가장 안정된 형태로 존재한다. 또한 HVPE, MBE, RF sputter 등 여러 공법을 통해 성장 가능하다.

참고문헌 (15)

B. J. Baliga, J. Appl. Phys., 53, 1759 (1982). [DOI: https://doi.org/10.1063/1.331646]

상세보기
J. A. Cooper, Mater. Sci. Forum, 389, 15 (2002). [DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.389-393.15]

상세보기
A. Y. Polyakov, N. B. Smirnov, I. V. Shchemerov, E. B. Yakimov, S. J. Pearton, C. Fares, J. Yang, F. Ren, J. Kim, P. B. Lagov, V. S. Stoblunov, and A. Kochkova, Appl. Phys. Lett., 113, 092102 (2018) [DOI: https://doi.org/10.1063/1.5049130]

상세보기
F. Shi, J. Han, Y. Xing, J. Li, L. Zhang, T. He, T. Li, X. Deng, X. Zhang, and B. Zhang. Mater. Lett., 237, 105 (2019). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.11.012]

상세보기
L. Huang, Q. Feng, G. Han, F. Li, X. Li, L. Fang, X. Xing, J. Zhang, and Y. Hao, IEEE Photonics J., 9 (2017). [DOI: https://doi.org/10.1109/JPHOT.2017.2731625]
S. Nakagomi, T. Sakai, K. Kikuchi, and Y. Kokubun, Phys. Status Solidi A, 216, 1700796 (2018) [DOI: https://doi.org/10.1002/pssa.201700796]
Z. Zhang, E. Farzana, A. R. Arehart, and S. A. Ringel, Appl. Phys. Lett., 108, 052105 (2016) [DOI: https://doi.org/10.1063/1.4941429]

상세보기
H. Altuntas, I. Donmez, C. Ozgit-Akgun, and N. Biyikli, J. Vac. Sci. Technol., A, 32, 041504 (2014). [DOI: https://doi.org/10.1116/1.4875935]

상세보기
A. K. Saikumar, S. D. Nehate, and K. B. Sundaram, ECS J. Solid State Sci. Technol., 8, Q3064 (2019). [DOI: https://doi.org/10.1149/2.0141907jss]

상세보기
M. J. Tadjer, J. L. Lyons, N. Nepal, J. A. Freitas Jr., A. D. Koehler, and G. M. Foster, ECS J. Solid State Sci. Technol., 8, Q3187 (2019). [DOI: https://doi.org/10.1149/2.0341907jss]

상세보기
A. Y. Polyakov, N. B. Smirnov, I. V. Shchemerov, S. J. Pearton, F. Ren, A. V. Chernykh, P. B. Lagov, and T. V. Kulevoy, APL Mater., 6, 096102 (2018). [DOI: https://doi.org/10.1063/1.5042646]

상세보기
M. E. Ingebrigtsen, J. B. Varley, A. Y. Kuznetsov, B. G. Svensson, G. Alfieri, A. Mihaila, U. Badstubner, and L. Vines, Appl. Phys. Lett., 12, 042104 (2018). [DOI: https://doi.org/10.1063/1.5020134]
H. Kim, S. Kyoung, T. Kang, J. Y. Kwon, K. H. Kim, and Y. S. Rim, J. Mater. Chem. C, 7, 10953 (2019). [DOI: https://doi.org/10.1039/c9tc02922b]

상세보기
J. A. Cooper, M. R. Melloch, J. M. Woodall, J. Spitz, K. J. Schoen, and J. Henning, Mater. Sci. Forum, 264, 895 (1998). [DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.264-268.895]

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H. Bartolf, V. K. Sundaramoorthy, A. Mihaila, M. Berthou, P. Godignon, and J. Millan, Mater. Sci. Forum, 778, 795 (2014). [DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.778-780.795]

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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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