초록 ▼

GaN 위에 FET 소자에서 gate oxide나 전기-광학 소자용 강유전층으로서 매우 높은 특성값을 나타내기 위해서는, 기존에 알려진 물질 그룹뿐만이 아니라 그 소자의 특성과 용도에 맞는 새로운 신소재의 개발이 반드시 병행되어야 한다. 이는 기존에 연구된 바 없는 새로운 타입의 소자의 제작과정에서 발생할 수 있는 여러 가지 문제점들을 해결하고, 이들을 최적화 하는 과정에서 좀 더 높은 소자의 특성을 구현할 수 있다. 이를 위해 전기-광학 신호에 대해 매우 높은 응답특성을 갖는 강유전체의 제작과 낮은 누설전류 값을 갖으면서 높은 분

GaN 위에 FET 소자에서 gate oxide나 전기-광학 소자용 강유전층으로서 매우 높은 특성값을 나타내기 위해서는, 기존에 알려진 물질 그룹뿐만이 아니라 그 소자의 특성과 용도에 맞는 새로운 신소재의 개발이 반드시 병행되어야 한다. 이는 기존에 연구된 바 없는 새로운 타입의 소자의 제작과정에서 발생할 수 있는 여러 가지 문제점들을 해결하고, 이들을 최적화 하는 과정에서 좀 더 높은 소자의 특성을 구현할 수 있다. 이를 위해 전기-광학 신호에 대해 매우 높은 응답특성을 갖는 강유전체의 제작과 낮은 누설전류 값을 갖으면서 높은 분극반전 값을 갖는 투명한 강유전체 제작과 GaN 기반의 강유전체에 관한 연구를 수행하고자 한다.
높은 신뢰도와 재현성을 갖는 MIS 소자를 구현하고자 수-수십 nm 두께의 $TiO_2$, Ga_2O_3$와 $HfO_2$에 대한 기초물성을 조사하였고, MFS 구조를 갖는 박막의 제작을 위해 강유전체인 PZT 박막을 두께별로 증착을 하였다. 박막내 계면에서 형성되는 산소결핍 문제를 해결하기 위해서 Al doped ZnO (AZO)와 SrRuO3 (SRO)의 산화물 전극을 증착하였다. 이를 기반으로 하여 MFS 구조를 갖는 BLT/GaN, BCeT/GaN, BST/GaN 박막을 적층 성장하였다.GaN을 기반으로 한 transparent field-effect transistor (TFET)를 제조하였다. MFS 소자의 제작을 위해 필요한 drain과 source, gate를 형성하여야 하는데, 이를 위해서는 nano size의 식각을 해야 한다. 따라서 강유전체 물질과 GaN의 식각특성에 대한 실험을 하였다.
고유전체 유전층을 여러 가지 증착 방법을 이용하여 소자의 구조적인 안정성을 높이고 누설전류를 효과적으로 제어하였다. MFS 구조를 갖는 박막의 제작을 위해 강유전체인 PZT 박막을 PLD 방법을 이용하여 두께별로 증착을 하였다. 그 결과 PZT 박막의 표면에 국부적으로 작은 hole들이 존재하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 전형적인 epitaxial 박막의 이력곡선을 나타내는 square 형태를 나타내었다. 산화물 전극인 AZO 박막의 경우 GaN을 기반으로 하여 적층성장을 하였고, 가시광 영역에서 투명도가 82 % 이상이 유지 되었다. 그리고, SRO 박막의 경우 XRD와 AFM 측정 결과, epitaxial 박막의 성장을 할 수 있음을 확인하였다. 투명한 에피탁셜 성장된 β-Ga2O3 박막은 펄스레이저증착법에 의해 성공적으로 제조되었고, 깊이 방향으로 샤프한 계면과 유니폼한 성분 분포를 보였다. 그리고 전기적 측정으로부터 산소공급률이 증가함 에 따라, 유전상수, 메모리윈도우, 계면상태밀도는 증가했다. 유전체 BLT/GaN, BCeT/GaN, BST/GaN 박막이 GaN 기판 위에 형성될 수 있는 구조적인 이론계산과 모델링을 통해 실제 형성된 박막의 구조와 배향성 그리고 twin의 형성을 HRXRD를 이용하여 분석하였다. 전기적 측정결과 5 V에서도 charge accumulation-depletion이 측정되어 field effect transistor (FET) 소자 응용 가능성을 확인 하였다. 고출력 tunable microwave 소자로써의 응용 특성을 평가 한 결과 dielectric tunability와 dielectric loss는 BST 박막의 FWHM 값과 성장 방향에 따라 증가함을 관찰 할수 있었다. GaN을 기반으로 한 transparent field-effect transistor (TFET) 구조인 AZO/BST/GaN을 적층으로 성장 시킨 결과 80 % 이상의 투명도를 유지 하여 광학적으로 높은 투명도를 가지고 전기적인 측정 결과 FET 구조의 특성을 나타내었다.

Abstract ▼

The purpose of research is to develop key technologies, such as fabrication methods of metal-ferroelectric(FE)-GaN semiconductor (MFS) structures, tunable microwave devices, basic characterization methods, proper etching processes, growth techniques of epitaxial FE/GaN hetero-structures, and electro

The purpose of research is to develop key technologies, such as fabrication methods of metal-ferroelectric(FE)-GaN semiconductor (MFS) structures, tunable microwave devices, basic characterization methods, proper etching processes, growth techniques of epitaxial FE/GaN hetero-structures, and electro-optic characterization methods, for preparing new material structures applicable to next generation devices
FE/GaN hetero-structures have not been systematically studied. In order to develop key technologies on FE/GaN hetero-structures, we wish to fabricate, etch, characterize, and analyze FE/GaN hetero-structures. We grown FE films on that substrates using sol-gel, sputtering, PLD, cyclic CVD methods and characterize structural, electrical, and optical properties. In addition, various insulator-FE multilayers were grown on free-standing GaN substrates and their properties were compared. We also investigated the growth mechanisms of buffer layers which had small lattice mismatch values with GaN and monitor the effects of the buffer layers on FE properties. We studid the etching phenomena of each layers.
A $HfO_2$, $Ga_2O_3$ and TiO2 thin film of nm-thickness size was deposited and measured structural and electrical properties. PZT film was deposited by the PLD method. Using SRO as a oxide electrode, film was confirmed epitaxial growth. We obtained square-type, which is empirical hysteresis loop of epitaxial film. To solve the oxygen difficiency formed at the interface between ferroelectric and electrode, oxide electrodes of Al-doped ZnO (AZO) and SrRuO3 (SRO) were prepared. These film were grown on GaN substrate and measured optical transparency with 82 % in the visible light region. This film also has high conductivity, it is possible to compensate defects due to the oxygen difficiency of the ferroelectrics, since it is expected well-control of characteristics. The β-Ga2O3/GaN structure showed stable and sharp interface and uniform elemental distribution in depth. The dielectric constant and memory window increased with increasing O2 flow rate. Epitaxial growth of BLT, BCeT and BST films on GaN substrate were fabricated. Structural orientation and twin formation of the ferroelectric films were investigated by HRXRD technique and analyzed by theoretical calculation through modelling. Dielectric and ferroelectric properties of the films with C-F, C-V, I-V curve were measured. The inter-diffusion phenomena including the interface reaction of the BST/GaN structure for the high-power tunable microwave device application were studied by AES depth profile. GaN-based transparent field-effect transistor (TFET) has been made. Epitaxial films with AZO/BST/GaN lateral structure were observed above 80 % transmission ratio.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문...3
• 1. 국문요약문...3
• Ⅱ. 연구결과 요약문...4
• 1. 국문요약문...4
• 2. 영문요약문...5
• Ⅲ. 연구내용...6
• 1. 서론...6
• 2. 연구방법 및 이론...13
• 3. 결과 및 고찰...47
• 4. 결론...87
• 5. 인용문헌...93