초록 ▼

연구개요
본 연구의 최종목표는 차세대 전력반도체로서 큰 잠재력을 가지고 있는 극성 (polarization)을 띈 준안정상인 ε-Ga₂O₃를 안정화시키고 그 특성을 활용하여 2차원 전자구름을 형성·제어하는 것임. 제일원리 계산을 활용하여 ε-Ga₂O₃상을 안정시킬 수 있는 에피택시 이종계면 특성 연구, Pna21 상을 형성할 수 있는 Al, Fe, In 등과 산화갈륨의 고용화(Alloying) 특성 규명, 에피택시방법과 고용화를 활용한 2차원 전자구

연구개요
본 연구의 최종목표는 차세대 전력반도체로서 큰 잠재력을 가지고 있는 극성 (polarization)을 띈 준안정상인 ε-Ga₂O₃를 안정화시키고 그 특성을 활용하여 2차원 전자구름을 형성·제어하는 것임. 제일원리 계산을 활용하여 ε-Ga₂O₃상을 안정시킬 수 있는 에피택시 이종계면 특성 연구, Pna21 상을 형성할 수 있는 Al, Fe, In 등과 산화갈륨의 고용화(Alloying) 특성 규명, 에피택시방법과 고용화를 활용한 2차원 전자구름의 제어법을 개발하는 것을 목표로함

연구 목표대비 연구결과
< 1차년도 >
√ 구축된 제일원리계산용 HPC를 이용하여 준 안정상인 ε-Ga₂O₃이 안정화 될 수 있는 격자상수 범위를 스크리닝 하였으며, 이종계면 계산을 통해 상용화된 기판 중 격자상수 미스매치를 최소화하는 6개의 유력 후보군을 색출하여 최적의 에피 택시 성장용 기판을 발견함

< 2차년도 >
√ 3성분계 화합물 (Al_xGa_1-x)₂O₃과 (In_xGa_1-x)₂O₃의 질서-무질서한 경우의 고용체 모델을 구축하였으며 제일원리계산을 통해 고용화 정도에 따른 열역학적 안정성, 무질서 전이온도, 밴드갭, 밴드정렬, 강유전성 변화를 예측함
√ 정규 용액 모델을 이용하여 제일원리계산된 고용체에 대해 이종상 상태도를 계산하고 이를 통해 준 안정상인 ε-Ga₂O₃이 성장할 수 있는 최적의 공정 조건(조성, 온도)을 제시함

< 3차년도 >
√ ε-Ga₂O₃와의 계면분위기에서 ε-AlGaO₃가 2DEG를 형성하기에 적절한 조성임을 확인하였으며, 두께 및 분극에 따라 강유전성이 조절될 수 있음을 발견함
√ ε-Ga₂O₃/ε-AlGaO₃/ε-Ga₂O₃ 이종계면 설계를 통하여 형성된 2DEG를 극대화시킬 수 있는 최적의 두께 및 분극범위를 설계함
√ Ga₂O₃ 성장 시 두 개의 결정면이 형성되어 발생한 호모에피택시 계면이 전자구조에 영향을 주는것을 확인하여 2DEG 형성 시 고려해야 할 요소임을 발견하였음
√ 시뮬레이션 모델 설계를 통해 Ga₂O₃ 성장 공정을 최적화하여 박막의 품질을 향상시켰으며 공정 조건에 대한 노하우를 확보함

연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
- 원천특허의 확보: 산화갈륨계 화합물은 아직 연구 초기 단계이기 때문에 준안정상의 제어와 이를 기반으로 한 HEMT 소자에 대한 원천특허의 확보가 가능함. 이는 기존의 주파수 대역의 한계를 극복하고 차후 통신, 전력제어, 군사 분야에서의 전력소자의 응용이 가능해지면서 큰 파급력을 가짐.
- 준안정상의 제어: 준안정상을 제어하는 것은 최근 학술적인 측면에서 큰 파급효과를 가지고 있음. 비단 산화갈륨계 화합물 뿐 아니라, 개발한 준안정상의 제어법은 다른 기능성 소재로도 응용이 가능함.
- 강유전성 반도체: 현존하는 모든 강유전성 재료들은 전이금속을 함유하고 있음. 이전이금속의 d-orbial 때문에 낮은 전기전도성을 띄어서 그 기능성을 여태껏 활용하지 못하였음. ε-Ga₂O₃은 전이금속이 없는 높은 전도성을 띈 첫 강유전성 재료로서 소자분야에 대한 그 응용가능성이 아주 높음

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 가. 연구의 최종목표 및 세부 연구목표 ... 4
• 나. 연차별 연구목표 및 연구범위 ... 4
• 다. 평가 착안점, 중요도 및 평가 척도 ... 4
• 라. 연구의 배경 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 가. CSL 모델을 활용한 에피택시 기판 선정 ... 6
• 나. 정규고용화모델 개발을 통한 상태도 계산 ... 7
• 다. 2DEG 생성을 위한 계면설계 ... 9
• 라. 계면설계 및 공정설계 ... 10
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 11
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 12
• 가. 이종상 상태도 계산 기술 확보 ... 12
• 나. 전력반도체 계면설계 기술 확보 ... 12
• 다. 계면분석 및 공정분석 기술 확보 ... 12
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 가. 연구개발 활용분야 ... 13
• 나. 타 연구에의 응용 ... 13
• 다. 기술이전 추진방안 ... 13
• 6. 참고문헌 ... 14
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 17
• 끝페이지 ... 32