초록 ▼

□ 연구개요
연구 과제는 에너지 금지대폭이 3.3 eV로 광대역(wide band gap) 반도체중 하나인 ZnO에 Mg을 첨가하여 금지대폭을 더 넓게 할 수 있는 ZnMgO를 이용한 전계 효과 트랜지스터들에 대한 연구로서 이를 전력 반도체 소자에 응용하고자 하였다. 이를 위하여 먼저 안정적인 ZnMgO 에피탁시 박막 성장과 ZnMgO 도핑 연구를 하였다. 그리고 쇼트키 접속에 대한 연구를 통하여 이를 기반으로 하는 금속 접합 전계효과 트랜지스터 (MESFET)를 제작하고 최종으로 ZnO/ZnMgO 이종 접합 구조로 형성된 이

□ 연구개요
연구 과제는 에너지 금지대폭이 3.3 eV로 광대역(wide band gap) 반도체중 하나인 ZnO에 Mg을 첨가하여 금지대폭을 더 넓게 할 수 있는 ZnMgO를 이용한 전계 효과 트랜지스터들에 대한 연구로서 이를 전력 반도체 소자에 응용하고자 하였다. 이를 위하여 먼저 안정적인 ZnMgO 에피탁시 박막 성장과 ZnMgO 도핑 연구를 하였다. 그리고 쇼트키 접속에 대한 연구를 통하여 이를 기반으로 하는 금속 접합 전계효과 트랜지스터 (MESFET)를 제작하고 최종으로 ZnO/ZnMgO 이종 접합 구조로 형성된 이차원 전자 가스 (2DEG)의 채널층이 삽입된 고전자 이동도 트랜지스터 (HEMT)의 전자 소자 연구를 하고자 한다. 이를 통해 ZnMgO 기반의 고내압 고속 스위칭 차세대 전력 반도체 소자로의 응용 기술을 확보하고자 한다

□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구과제에서는 3 차년도에 걸쳐 3 단계의 연구를 수행하고자 하였다. 1 차년도는 기반 연구로 1) ZnMgO의 안정적 에피탁시 박막을 사파이어와 ZnO 기판 위에 성장 연구과 2) In 및 Ga을 이용한 도핑 연구를 진행하였다. 펄스 레이저법, 스퍼터 및 졸-겔법을 이용하여 Mg 농도가 30% 수준까지 조절하며 최적의 ZnMgO 성장 조건을 찾고 이를 XRD, SEM, TEM 및 HRXRD 등을 활용한 구조 분석, 광특성 분석, 및 전기적 특성 분석을 통하여 검증하였고, 고품위의 ZnO/ZnMgO 에피 박막 성장 구현이 가능하였다. 도핑은 In 및 Ga을 첨가하여 Mg 농도 변화에 따른 10¹⁵/cm³-10¹⁷/cm³로 조절이 가능한 최적의 도펀트 및 조건을 도출하고자 하였으며 Hall 측정, TLM 측정 및 XPS을 통해 검증하고자 하였다. In 및 Ga은 Mg 농도가 높을수록 도핑이 잘 형성되지 않았다. 이는 산소 결합 정도의 차이로 인해 발생하는 것으로 보인다. 2 차년도는 고내압 특성 연구로 안정적 쇼트키 전극 형성 연구를 진행하였다. ZnMgO 박막을 위층으로 이용하여 Ag, Au 및 Pd 금속에서쇼트키 다이오드의 I-V 측정 결과를 얻었으며, 모든 소자에서 쇼트키 장벽이 형성이 된 것을 확인 하였다. 그 중 Ag 금속을 사용을 하였을 경우 가장 높은 0.73 eV의 장벽을 가진다. 또한, Ag 금속의 경우 ~10³이상의 높은 on/off 비를 가짐으로써 우수한 쇼트키 접합이 형성이 가능하였다. 3차년도는 고내압을 위한 MESFET 소자 구조 연구를 수행하였다. 이를 위하여 단일 활성화층 및 ZnO/ZnMgO를 이용한 2DEG 채널 형성 연구를 진행 하였다. ZnO의 _μFE는 9.1 cm²V^-1s^-1이며, Mg_0.1Zn_0.9O는 10.3으로 소폭 증가하였으나 Mg농도가 30%에서는 전계효과 이동도가 크게 감소하였다. ZnMgO/ZnO 이종접합구조를 이용한 이중활성층의 경우 단일 활성화층에 비해 좋은 전기적 특성을 보였고 가장 높은 이동도를 가진 소자는 ZnMO/ZnO의 두께 비를 40/10 nm일때 18.4 cm²V^-1s^-1 로 크게 증가하였다. S 값의 경우 ZnO는 약 0.44 V/decade를 보였으나 ZnMO/ZnO의 두께 비를 40/10 nm 소자의 경우 0.24 V/decade로 ZnO에 비해 절반 가량 감소한 특성을 보였다.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
기술적으로는 ZnMgO가 전력 반도체를 위한 고내압 소자의 연구를 통해 성공적으로 응용하다면 아직 국내외적으로 적극적 연구가 되지 않은 현실에서 원천적인 특허 확보가 가능할 것으로 사료되며 특히 GaN 및 6H SiC와 유사한 우르짜이트 구조 및 결정 상수를 갖고 있어 서로 장점을 연결한 하이브리드 형태의 전력 반도체 소자 개발의 가능성도 있고 경제적으로는 산화물 반도체 중 광대역 반도체를 이용하여 일정부분 전력 반도체 응용에 적용할 수 있다면 기판 및 제작 공정의 큰 어려움이 존재하는 GaN나 SiC 보다 경제적 단가를 급격히 낮출 수 있을 것으로 사료된다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 8
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 8
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 14
• 3) 목표 달성 수준 ... 14
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 14
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 15
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 15
• 6. 참고문헌 ... 15
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 16
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 18
• 끝페이지 ... 23