실리콘 카바이드(SiC)와 질화갈륨(GaN)으로 대표되는 광대역 밴드갭(WBG) 반도체가 널리 주목받고 있습니다. 실리콘 카바이드는 전기 자동차 및 전력망 분야에서, 질화갈륨은 고속 충전 분야에서 높은 응용 가능성을 보여주어 많은 기대를 모으고 있습니다. 최근 몇 년 동안 Ga2O3, AlN, 다이아몬드 소재에 대한 연구가 상당한 진전을 이루면서 초광대역 밴드갭 반도체 소재가 주목받고 있습니다. 그중에서도 산화갈륨(Ga2O3)은 4.8 eV의 밴드갭, 약 8 MV cm⁻¹의 이론적 임계 항복 전계 강도, 약 2E7 cm s⁻¹의 포화 전류 밀도, 그리고 3000에 달하는 높은 발리가 품질 계수를 지닌 차세대 초광대역 밴드갭 반도체 소재로서 고전압 및 고주파 전력 전자 분야에서 큰 관심을 받고 있습니다.
1. 산화갈륨 소재의 특성
Ga2O3는 넓은 밴드갭(4.8 eV)을 가지고 있어 높은 내전압과 고출력 성능을 모두 달성할 수 있을 것으로 기대되며, 비교적 낮은 저항에서 고전압 적응성을 가질 가능성이 있어 현재 연구의 주요 대상입니다. 또한 Ga2O3는 우수한 물성뿐만 아니라 다양한 n형 도핑 기술을 손쉽게 적용할 수 있고, 저비용의 기판 성장 및 에피택시 기술을 활용할 수 있다는 장점도 있습니다. 현재까지 Ga2O3에는 코런덤(α), 단사정계(β), 결함 스피넬(γ), 입방정계(δ), 직방정계(ɛ)의 다섯 가지 결정상이 발견되었습니다. 열역학적 안정성은 γ, δ, α, ɛ, β 순입니다. 특히 고온에서 단사정계 β-Ga2O3가 가장 안정하며, 다른 상들은 상온 이상에서 준안정 상태이고 특정 열 조건에서 β상으로 상변환되는 경향이 있습니다. 따라서 β-Ga2O3 기반 소자의 개발은 최근 전력 전자 분야에서 주요 관심사로 떠올랐습니다.
표 1. 일부 반도체 재료 매개변수 비교
단사정계 β-Ga2O3의 결정 구조는 표 1에 나타나 있다. 격자 상수a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, β = 103.8°이다. 단위 셀은 비틀린 사면체 배위를 갖는 Ga(I) 원자와 팔면체 배위를 갖는 Ga(II) 원자로 구성된다. "비틀린 입방" 배열에는 세 가지 다른 산소 원자 배열이 존재하는데, 두 개의 삼각형 배위를 갖는 O(I) 및 O(II) 원자와 하나의 사면체 배위를 갖는 O(III) 원자가 포함된다. 이러한 두 가지 유형의 원자 배위의 조합은 β-Ga2O3의 이방성을 유발하며, 이는 물리적, 화학적 부식, 광학 및 전자적 특성에 특수한 영향을 미친다.
그림 1. 단사정계 β-Ga2O3 결정의 구조 개략도
에너지 밴드 이론의 관점에서 볼 때, β-Ga2O3의 전도대 최솟값은 Ga 원자의 4s0 혼성 궤도에 해당하는 에너지 상태에서 유도됩니다. 전도대 최솟값과 진공 에너지 준위(전자 친화도 에너지) 사이의 에너지 차이는 4 eV로 측정되었습니다. β-Ga2O3의 유효 전자 질량은 0.28~0.33 me로 측정되었으며, 이는 양호한 전자 전도도를 나타냅니다. 그러나 가전자대 최댓값은 매우 낮은 곡률을 갖는 완만한 Ek 곡선을 보이며, O2p 궤도가 강하게 국소화되어 있어 정공이 깊이 국소화되어 있음을 시사합니다. 이러한 특성은 β-Ga2O3에서 p형 도핑을 달성하는 데 큰 어려움을 야기합니다. 설령 p형 도핑이 가능하더라도 정공 전도도(μ)는 매우 낮은 수준에 머무릅니다. 2. 벌크 산화갈륨 단결정 성장 현재까지 β-Ga2O3 벌크 단결정 기판의 성장 방법은 주로 초크랄스키(CZ)법, 에지 정의 박막 공급법(EFG), 브리지먼법(수직 또는 수평 브리지먼법, HB 또는 VB), 플로팅 존법(FZ)과 같은 결정 인발법을 사용해 왔습니다. 이 중 초크랄스키법과 에지 정의 박막 공급법은 대량 생산과 낮은 결함 밀도를 동시에 달성할 수 있어 향후 β-Ga2O3 웨이퍼의 양산에 가장 유망한 방법으로 기대됩니다. 현재까지 일본의 노벨 크리스탈 테크놀로지(Novel Crystal Technology)는 용융 성장 β-Ga2O3용 상용 매트릭스를 개발했습니다.
1.1 초크랄스키 방법
초크랄스키법의 원리는 먼저 종자층을 덮은 후 용융액에서 단결정을 천천히 뽑아내는 것입니다. 초크랄스키법은 비용 효율성, 대형화 가능성, 고품질 기판 결정화 등 여러 장점으로 인해 β-Ga2O3 성장에 있어 중요성이 점점 커지고 있습니다. 그러나 Ga2O3의 고온 성장 과정에서 발생하는 열 응력으로 인해 단결정 및 용융 물질의 증발, 그리고 이리듐 도가니의 손상이 발생할 수 있습니다. 이는 Ga2O3에서 낮은 n형 도핑 농도를 얻기 어려운 이유 중 하나입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 성장 분위기에 적절한 양의 산소를 도입하는 것이 한 가지 방법입니다. 본 연구에서는 최적화를 통해 초크랄스키법으로 자유 전자 농도 범위가 10¹⁶~10¹⁹ cm⁻³이고 최대 전자 밀도가 160 cm²/Vs인 고품질 2인치 β-Ga2O3를 성공적으로 성장시켰습니다.
그림 2. 초크랄스키법으로 성장시킨 β-Ga2O3 단결정
1.2 가장자리 정의 필름 공급 방식
가장자리 제어 박막 공급법은 대면적 Ga2O3 단결정 소재의 상업적 생산을 위한 유력한 방법으로 여겨집니다. 이 방법의 원리는 모세관 슬릿이 있는 주형에 용융물을 넣으면 모세관 현상에 의해 용융물이 주형 위로 상승하는 것입니다. 주형 상단에서 박막이 형성되어 모든 방향으로 퍼지면서 종자 결정에 의해 결정화가 유도됩니다. 또한, 주형 상단의 가장자리를 제어하여 플레이크, 튜브 또는 원하는 형상의 결정을 생성할 수 있습니다. Ga2O3의 가장자리 제어 박막 공급법은 빠른 성장 속도와 큰 직경을 제공합니다. 그림 3은 β-Ga2O3 단결정의 모식도입니다. 크기 측면에서, 우수한 투명도와 균일성을 갖춘 2인치 및 4인치 β-Ga2O3 기판이 상용화되었으며, 6인치 기판은 향후 상용화를 위한 연구 단계에 있습니다. 최근에는 (−201) 배향을 갖는 대형 원형 단결정 벌크 소재도 생산 가능해졌습니다. 또한, β-Ga2O3 에지 정의 필름 공급 방식은 전이 금속 원소의 도핑을 촉진하여 Ga2O3의 연구 및 제조를 가능하게 합니다.
그림 3. 에지 정의 필름 공급법으로 성장시킨 β-Ga2O3 단결정
1.3 브리지맨 방식
브리지맨법에서는 도가니를 온도 구배에 따라 점진적으로 이동시키면서 결정을 형성합니다. 이 공정은 일반적으로 회전 도가니를 사용하여 수평 또는 수직 방향으로 수행할 수 있습니다. 이 방법은 결정 종자를 사용할 수도 있고 사용하지 않을 수도 있다는 점에 유의해야 합니다. 전통적인 브리지맨법 작업자는 용융 및 결정 성장 과정을 직접 시각화할 수 없으므로 온도를 매우 정밀하게 제어해야 합니다. 수직 브리지맨법은 주로 β-Ga2O3 성장에 사용되며 공기 중에서 성장시킬 수 있다는 장점이 있습니다. 수직 브리지맨법 성장 과정에서 용융물과 도가니의 총 질량 손실을 1% 미만으로 유지할 수 있어 손실을 최소화하면서 대형 β-Ga2O3 단결정을 성장시킬 수 있습니다.
그림 4. 브리지맨법으로 성장시킨 β-Ga2O3 단결정
1.4 부유 영역 방법
부유대 성장법은 도가니 재료로 인한 결정 오염 문제를 해결하고 고온 내성 적외선 도가니와 관련된 높은 비용을 절감합니다. 이 성장 공정에서는 RF 소스 대신 램프로 용융물을 가열할 수 있으므로 성장 장비에 대한 요구 사항이 간소화됩니다. 부유대 성장법으로 성장시킨 β-Ga2O3의 모양과 결정 품질은 아직 최적화되지 않았지만, 이 방법은 고순도 β-Ga2O3 단결정을 경제적인 비용으로 성장시킬 수 있는 유망한 방법입니다.
그림 5. 부유대 성장법으로 성장시킨 β-Ga2O3 단결정.
게시일: 2024년 5월 30일