탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)으로 대표되는 와이드 밴드갭(WBG) 반도체가 널리 주목을 받고 있습니다. 사람들은 전기 자동차 및 전력망에서 탄화규소의 응용 전망과 고속 충전에서 질화갈륨의 응용 전망에 큰 기대를 걸고 있습니다. 최근 몇 년 동안 Ga2O3, AlN, 다이아몬드 소재에 대한 연구가 크게 진전되어 초광대역 밴드갭 반도체 소재가 주목을 받고 있습니다. 그중 산화갈륨(Ga2O3)은 4.8eV의 밴드갭, 약 8MV cm-1의 이론 임계 파괴 전계 강도, 약 2E7cm s-1의 포화 속도, 그리고 3000의 높은 발리가 품질 계수를 갖는 새로운 초광대역 밴드갭 반도체 소재로 고전압 및 고주파 전력 전자 분야에서 널리 주목을 받고 있습니다.
1. 산화갈륨 재료 특성
Ga2O3는 넓은 밴드갭(4.8 eV)을 가지고 있으며, 높은 내전압과 고전력 성능을 모두 달성할 것으로 예상되며, 비교적 낮은 저항에서 높은 전압 적응성을 가질 수 있는 잠재력을 가지고 있어 현재 연구의 초점이 되고 있습니다. 또한, Ga2O3는 우수한 재료 특성을 가질 뿐만 아니라, 쉽게 조절 가능한 다양한 n형 도핑 기술과 저비용 기판 성장 및 에피택시 기술을 제공합니다. 지금까지 Ga2O3에서 커런덤(α), 단사정계(β), 결함 스피넬(γ), 입방정계(δ), 사방정계(ɛ) 상을 포함하여 다섯 가지 결정상이 발견되었습니다. 열역학적 안정성은 순서대로 γ, δ, α, ɛ, β입니다. 단사정계 β-Ga2O3가 특히 고온에서 가장 안정한 반면, 다른 상들은 실온 이상에서 준안정하며 특정 열 조건에서 β 상으로 변하는 경향이 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 따라서 β-Ga2O3 기반 소자의 개발은 최근 몇 년 동안 전력 전자 분야에서 주요 초점이 되었습니다.
표 1 일부 반도체 재료 매개변수 비교
단사정계 β-Ga2O3의 결정 구조는 표 1에 나타나 있다. 격자 매개변수는 a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, β = 103.8°이다. 단위 셀은 꼬인 사면체 배위를 갖는 Ga(I) 원자와 팔면체 배위를 갖는 Ga(II) 원자로 구성된다. "꼬인 입방체" 배열에는 세 가지 다른 산소 원자 배열이 있는데, 두 개의 삼각형으로 배위된 O(I)과 O(II) 원자와 하나의 사면체로 배위된 O(III) 원자가 있다. 이 두 가지 유형의 원자 배위가 결합되어 β-Ga2O3는 물리, 화학 부식, 광학 및 전자 분야에서 특별한 특성을 갖는 이방성을 나타낸다.
그림 1 단사정계 β-Ga2O3 결정의 개략적 구조도
에너지 밴드 이론의 관점에서, β-Ga2O3의 전도대의 최소값은 Ga 원자의 4s0 혼성 궤도에 해당하는 에너지 상태에서 유도됩니다. 전도대의 최소값과 진공 에너지 준위(전자 친화도 에너지) 사이의 에너지 차이는 4 eV입니다. β-Ga2O3의 유효 전자 질량은 0.28–0.33 me로 측정되었으며, 양호한 전자 전도도를 보입니다. 그러나 원자가 밴드 최대값은 매우 낮은 곡률과 강하게 국소화된 O2p 오비탈을 갖는 얕은 Ek 곡선을 나타내며, 이는 정공이 깊게 국소화되었음을 시사합니다. 이러한 특성은 β-Ga2O3에서 p형 도핑을 달성하는 데 큰 어려움을 야기합니다. P형 도핑이 달성되더라도 정공 μ는 매우 낮은 수준으로 유지됩니다. 2. 벌크 산화갈륨 단결정의 성장 지금까지 β-Ga2O3 벌크 단결정 기판의 성장 방법은 주로 초크랄스키(CZ), 에지 정의 박막 공급법(Edge-Defined film-fed, EFG), 브리지만(수직 또는 수평 브리지만, HB 또는 VB) 및 플로팅 존(floating zone, FZ) 기술과 같은 결정 인상법입니다. 모든 방법 중에서 초크랄스키 및 에지 정의 박막 공급법은 큰 볼륨과 낮은 결함 밀도를 동시에 달성할 수 있기 때문에 미래에 β-Ga2O3 웨이퍼의 대량 생산을 위한 가장 유망한 방법이 될 것으로 예상됩니다. 지금까지 일본의 Novel Crystal Technology는 β-Ga2O3 용융 성장을 위한 상업적 매트릭스를 실현했습니다.
1.1 초크랄스키 방법
초크랄스키법의 원리는 시드층을 먼저 덮은 후, 단결정을 용융물에서 천천히 빼내는 것입니다. 초크랄스키법은 비용 효율성, 대형화 가능성, 그리고 고품질 기판 성장으로 인해 β-Ga2O3에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 그러나 Ga2O3의 고온 성장 중 열 응력으로 인해 단결정, 용융 재료의 증발, 그리고 Ir 도가니의 손상이 발생합니다. 이는 Ga2O3에서 낮은 n형 도핑을 달성하기 어렵기 때문입니다. 성장 분위기에 적절한 양의 산소를 도입하는 것이 이 문제를 해결하는 한 가지 방법입니다. 최적화를 통해, 자유 전자 농도 범위가 10^16~10^19 cm-3이고 최대 전자 밀도가 160 cm2/Vs인 고품질 2인치 β-Ga2O3가 초크랄스키법으로 성공적으로 성장되었습니다.
그림 2 초크랄스키법으로 성장된 β-Ga2O3 단결정
1.2 에지 정의 필름 공급 방법
에지-정의 박막 공급법은 대면적 Ga2O3 단결정 재료의 상업적 생산을 위한 유력한 후보로 여겨집니다. 이 방법의 원리는 모세관 슬릿이 있는 금형에 용융물을 넣고, 용융물이 모세관 작용을 통해 금형으로 올라오는 것입니다. 상단에서 박막이 형성되고 사방으로 퍼지면서 종자 결정에 의해 결정화가 유도됩니다. 또한, 금형 상단의 에지(edge)를 제어하여 플레이크, 튜브 또는 원하는 형상의 결정을 생성할 수 있습니다. Ga2O3의 에지-정의 박막 공급법은 빠른 성장 속도와 큰 직경을 제공합니다. 그림 3은 β-Ga2O3 단결정의 다이어그램을 보여줍니다. 또한, 크기 측면에서 투명성과 균일성이 우수한 2인치 및 4인치 β-Ga2O3 기판이 상용화되었으며, 6인치 기판은 향후 상용화를 위한 연구가 진행 중입니다. 최근에는 (-201) 배향의 대형 원형 단결정 벌크 재료도 이용 가능해졌습니다. 또한, β-Ga2O3 에지 정의 필름 공급 방법은 전이 금속 원소의 도핑도 촉진하여 Ga2O3의 연구 및 제조가 가능해졌습니다.
그림 3 에지정의 필름공급법으로 성장된 β-Ga2O3 단결정
1.3 브리지맨 방법
브리지만법에서는 온도 구배를 따라 점진적으로 이동하는 도가니에서 결정을 형성합니다. 이 공정은 일반적으로 회전 도가니를 사용하여 수평 또는 수직 방향으로 수행할 수 있습니다. 이 방법은 결정 시드를 사용할 수도 있고 사용하지 않을 수도 있습니다. 기존의 브리지만법은 용융 및 결정 성장 과정을 직접 시각화할 수 없기 때문에 온도를 매우 정밀하게 제어해야 합니다. 수직 브리지만법은 주로 β-Ga2O3 성장에 사용되며 대기 환경에서 성장할 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 수직 브리지만법 성장 과정에서 용융물과 도가니의 총 질량 손실은 1% 미만으로 유지되어 손실을 최소화하면서 큰 β-Ga2O3 단결정을 성장시킬 수 있습니다.
그림 4 브리지만법으로 성장된 β-Ga2O3 단결정
1.4 부유대법
플로팅 존법은 도가니 재질에 의한 결정 오염 문제를 해결하고 고온용 적외선 도가니와 관련된 높은 비용을 절감합니다. 이 성장 과정에서 용융물은 RF 소스가 아닌 램프로 가열될 수 있으므로 성장 장비에 대한 요구 사항이 간소화됩니다. 플로팅 존법으로 성장된 β-Ga2O3의 모양과 결정 품질은 아직 최적이 아니지만, 이 방법은 고순도 β-Ga2O3를 경제적인 단결정으로 성장시키는 유망한 방법을 제시합니다.
그림 5 플로팅 존법으로 성장된 β-Ga2O3 단결정.
게시 시간: 2024년 5월 30일