[논문]MOCVD 성장법을 이용한 Beta-Ga2O3 박막의 헤테로에피택시 성장 특성

정정수; 차안나; 이기업; 조세아; 문영부; 김명식; 이무성; 하준석

doi:10.6117/kmeps.2024.31.2.085

[국내논문] MOCVD 성장법을 이용한 Beta-Ga2O3 박막의 헤테로에피택시 성장 특성
MOCVD Growth and Characterization of Heteroepitaxial Beta-Ga2O3

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.31 no.2, 2024년, pp.85 - 91

정정수 (전남대학교 화학공학과) , 차안나 (전남대학교 에너지융복합전문핵심연구지원센터) , 이기업 (전남대학교 화학공학과) , 조세아 (전남대학교 화학공학과) , 문영부 ((주)유제이엘) , 김명식 ((주)유제이엘) , 이무성 (전남대학교 화학공학과) , 하준석 (전남대학교 화학공학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 MOCVD 장비를 사용하여 c-plane sapphire 기판 위에 𝛽-Ga₂O₃ 박막을 성장시키는 방법을 조사하였다. 우리는 𝛽-Ga₂O₃ 박막의 결정성을 높이기 위한 최적의 성장 조건을 확인하였으며, 박막의 결정성에 있어 O₂와 Ga 전구체 간의 비율이 결정 성장에 미치는 영향을 확인하였다. 성장 온도의 범위는 600~1100℃ 였으며 O₂/TMGa의 비율이 800 ~ 6000일 때 결정성을 분석하였다. 결과적으로 1100℃에서 전구체 간의 몰비가 2400일 때 가장 높은 결정성의 박막을 얻을 수 있었다. 박막의 표면을 주사 전자 현미경으로 관찰하였으며, 박막의 XRD ω-스캔 시 FWHM은 (${\bar{2}}01$), (${\bar{4}}02$) 회절 피크에서 각각 1.17°, 1.43°로 나타났다. 이렇게 얻어낸 박막의 경우, 가시광선 영역에서 80% 이상의 높은 투과율을 보였으며, 박막의 밴드갭 에너지는 4.78 ~ 4.88 eV였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we investigated a method of growing single crystal 𝛽-Ga2O3 thin films on a c-plane sapphire substrate using MOCVD. We confirmed the optimal growth conditions to increase the crystallinity of the 𝛽-Ga2O3 thin film and confirmed the effect of the ratio between O2 and Ga precursors on crystal growth on the crystallinity of the thin film. The growth temperature range was 600~1100℃, and crystallinity was analyzed when the O2/TMGa ratio was 800~6000. As a result, the highest crystallinity thin film was obtained when the molar ratio between precursors was 2400 at 1100℃. The surface of the thin film was observed with a FE-SEM and XRD ω-scan of the thin film, the FWHM was found to be 1.17° and 1.43° at the and (${\bar{2}}01$) and (${\bar{4}}02$) diffraction peaks. The optical band gap energy obtained was 4.78 ~ 4.88 eV, and the films showed a transmittance of over 80% in the near-ultraviolet and visible light regions.

Keyword

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. (a) Schematic drawing of the MOCVD system. (b) Schematic diagram of the thin film deposition process in the MOCVD equipment.
그림 Fig. 2. XRD scan spectra of samples grown at different temperatures: (a) 2Theta-Omega scan, (b) Phi scan, (c) Omega scan, (d) Thickness as a function of growth temperature.
그림 Fig. 3. XRD scan spectra of samples with different O₂/TMGa molar ratio: (a) 2Theta-Omega scan, (b) Phi scan, (c) Omega scan, (d) Thickness according to O₂/TMGa molar ratio.
그림 Fig. 4. Surface SEM image of a β-Ga₂O₃ layer on a sapphire(001) substrate at different O₂/TMGa molar ratios: (a) 800, (b) 2400, (c) 4000, (d) 6000.
그림 Fig. 5. (a) Transmittance spectrum of β-Ga₂O₃ thin film at different temperatures. (c) Transmittance spectrum of β-Ga₂O₃ thin film at different O₂/TMGa molar ratios. (b) The energy band gap of β-Ga₂O₃ thin film at different temperatures. (d) The energy band gap of β-Ga₂O₃ thin film at different O₂/TMGa molar ratios.
그림 Fig. 6. (a) Photograph of the sample grown on a 2-inch sapphire substrate. (b) AFM images of the β-Ga₂O₃ thin film over a scan area of 5μm×5μm, with RMS roughness in nm displayed in the image. (c) The growth rate of β-Ga₂O₃ thin films over time.

참고문헌 (26)

Masataka, H., et al., "Recent progress in Ga 2 O 3 power devices", Semicond. Sci. Technol., 31(3), 034001 (2016).
X. Guan, U. B. Pal, Y. Jiang, and S. Su, "Clean Metals Production by Solid Oxide Membrane Electrolysis Process", J. Sustain. Metall., 2, 152-166 (2016).
S. Fujita, "Wide-bandgap semiconductor materials: For their full bloom", Jpn. J. Appl. Phys., 54(3), 030101 (2015).
J. B. Varley, B. Shen, and M. Higashiwaki, "Wide bandgap semiconductor materials and devices", J. Appl. Phys., 131(23), 230401 (2022).

상세보기
H. Jin, L. Qin, L. Zhang, X. Zeng, and R. Yang, "Review of wide band-gap semiconductors technology", MATEC Web Conf., 40, 01006 (2016).
M. Baldini, Z. Galazka, and G. Wagner, "Recent progress in the growth of β-Ga 2 O 3 for power electronics applications", Mater. Sci. Semicond. Process., 78, 132-146 (2018).
M. Higashiwaki, "β-Ga 2 O 3 material properties, growth technologies, and devices: a review", AAPPS Bull., 32(3), (2022).
J. Bae, D.-W. Jeon, J.-H. Park, and J. Kim, "High responsivity solar-blind metal-semiconductor-metal photodetector based on α-Ga 2 O 3 ", J. Vac. Sci. Technol. A, 39(3), 033410 (2021).
L. K. Ping, D. D. Berhanuddin, A. K. Mondal, P. S. Menon, and M. A. Mohamed, "Properties and perspectives of ultrawide bandgap Ga 2 O 3 in optoelectronic applications", Chinese J. Phys., 73, 195-212 (2021).
P. J. Wellmann, "Power Electronic Semiconductor Materials for Automotive and Energy Saving Applications - SiC, GaN, Ga 2 O 3 , and Diamond", Zeitschrift fur Anorg. und Allg. Chemie, 643(21), 1312-1322 (2017).
H. Aida, et al., "Growth of β-Ga 2 O 3 single crystals by the edge-defined, film fed growth method", Jpn. J. Appl. Phys., 47, 8506-8509 (2008).
Z. Galazka, "Growth of bulk β-Ga 2 O 3 single crystals by the Czochralski method", J. Appl. Phys. 131(3), 031103 (2022).
T. Harwig, et al., "Electrical Properties of β-Ga 2 O 3 Single Crystals", Solid State Communications, 18, 1223-1225 (1976).
S. Ghose, et al., "Structural and optical properties of β-Ga 2 O 3 thin films grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy", J. Vac. Sci. Technol. B, 34(2), 02L109 (2016).
K. Sasaki, M. Higashiwaki, A. Kuramata, T. Masui, and S. Yamakoshi, "MBE grown Ga 2 O 3 and its power device applications", J. Cryst. Growth, 378, 591-595 (2013).
H. Murakami, et al., "Homoepitaxial growth of β-Ga 2 O 3 layers by halide vapor phase epitaxy", Appl. Phys. Express, 8(1), 015503 (2015).
H. Nishinaka, T. Nagaoka, Y. Kajita, and M. Yoshimoto, "Rapid homoepitaxial growth of (010) β-Ga 2 O 3 thin films via mist chemical vapor deposition", Mater. Sci. Semicond. Process., 128, 105732 (2021).
Z. Feng, A. F. M. A. U. Bhuiyan, M. R. Karim, and H. Zhao, "MOCVD homoepitaxy of Si-doped (010) β-Ga 2 O 3 thin films with superior transport properties", Appl. Phys. Lett., 114(25), 250601 (2019).
F. Alema, et al., "Fast growth rate of epitaxial β-Ga 2 O 3 by close coupled showerhead MOCVD", J. Cryst. Growth, 475, 77-82 (2017).
L. Meng, Z. Feng, A. F. M. A. U. Bhuiyan, and H. Zhao, "High-Mobility MOCVD β-Ga 2 O 3 Epitaxy with Fast Growth Rate Using Trimethylgallium", Cryst. Growth Des., 22(6), 3896-3904 (2022).
T. Oshima, T. Okuno, and S. Fujita, "Ga 2 O 3 thin film growth on c-plane sapphire substrates by molecular beam epitaxy for deep-ultraviolet photodetectors", Japanese J. Appl. Physics, 46(11R), 7217-7220 (2007).
S. J. Hao, et al., "Growth and characterization of β-Ga 2 O 3 thin films on different substrates", J. Appl. Phys., 125(10), 105701 (2019).
G. Joshi, Y. S. Chauhan, and A. Verma, "Temperature dependence of β-Ga 2 O 3 heteroepitaxy on c-plane sapphire using low pressure chemical vapor deposition", J. Alloys Compd., 883, 160799 (2021).
C. N. Cochran, and L. M. Foster, "Vapor Pressure of Gallium, Stability of Gallium Suboxide Vapor, and Equilibria of Some Reactions Producing Gallium Suboxide Vapor", J. Electrochem. Soc., 109(2), 144 (1962).

상세보기
T.-S. Chou, et al., "Influencing the morphological stability of MOVPE-grown β-Ga 2 O 3 films by O 2 /Ga ratio", Appl. Surf. Sci., 660, 159966 (2024).
P. R. Jubu, F. K. Yam, V. M. Igba, and K. P. Beh, "Tauc-plot scale and extrapolation effect on bandgap estimation from UV-vis-NIR data - A case study of β-Ga 2 O 3 ", J. Solid State Chem., 290, 121576 (2020).

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증