산화정립 및 에피택셜 성장 기술-Ⅱ

2. 에피택셜 박막 성장

기판은 Ga2O3 전력 소자에 물리적 지지층 또는 전도층을 제공합니다. 다음으로 중요한 층은 전압 저항 및 캐리어 수송에 사용되는 채널층 또는 에피택셜층입니다. 항복 전압을 높이고 전도 저항을 최소화하기 위해서는 두께와 도핑 농도를 조절하고 최적의 재료 품질을 유지하는 것이 필수적입니다. 고품질 Ga2O3 에피택셜층은 일반적으로 분자빔 에피택시(MBE), 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD), 할로겐화물 기상 증착(HVPE), 펄스 레이저 증착(PLD), 그리고 포그 CVD 기반 증착 기술을 사용하여 증착됩니다.

표 2 대표적인 에피택셜 기술

2.1 MBE 방법

MBE 기술은 초고진공 환경과 높은 재료 순도로 인해 제어 가능한 n형 도핑을 갖는 고품질의 결함 없는 β-Ga2O3 박막을 성장시킬 수 있는 능력으로 유명합니다. 결과적으로, 이 기술은 가장 널리 연구되고 잠재적으로 상용화될 수 있는 β-Ga2O3 박막 증착 기술 중 하나가 되었습니다. 또한, MBE 방법은 고품질의 저도핑 이종구조 β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 박막층을 성공적으로 제조했습니다. MBE는 반사 고에너지 전자 회절(RHEED)을 사용하여 원자층 정밀도로 표면 구조와 형태를 실시간으로 모니터링할 수 있습니다. 그러나 MBE 기술을 사용하여 성장된 β-Ga2O3 박막은 여전히 ​​낮은 성장 속도와 작은 박막 크기와 같은 많은 어려움에 직면해 있습니다. 연구에 따르면 성장 속도는 (010)>(001)>(-201)>(100) 순서였습니다. 650~750°C의 약간 갈륨(Ga)이 풍부한 조건에서 β-Ga2O3(010)은 매끄러운 표면과 높은 성장 속도를 갖는 최적의 성장을 보입니다. 이 방법을 사용하여 0.1nm의 RMS 거칠기로 β-Ga2O3 에피택시를 성공적으로 달성했습니다. 그림에는 갈륨이 풍부한 환경에서 다양한 온도에서 성장된 MBE 박막이 나와 있습니다. Novel Crystal Technology Inc.는 10 × 15mm² 크기의 β-Ga2O3MBE 웨이퍼를 에피택시얼 방식으로 성공적으로 생산했습니다. 이 회사는 두께 500μm, XRD FWHM 150초 미만의 고품질 (010) 배향 β-Ga2O3 단결정 기판을 제공합니다. 이 기판은 Sn 또는 Fe로 도핑되었습니다. Sn 도핑 전도성 기판은 1E18~9E18cm−3의 도핑 농도를 갖는 반면, 철 도핑 반절연 기판은 10E10 Ω cm보다 높은 저항률을 갖는다.

2.2 MOCVD법

MOCVD는 금속 유기 화합물을 전구체 물질로 사용하여 박막을 성장시켜 대규모 상업 생산을 달성합니다. MOCVD 방법을 사용하여 Ga2O3를 성장시킬 때 일반적으로 트리메틸갈륨(TMGa), 트리에틸갈륨(TEGa), Ga(디펜틸글리콜포르메이트)를 Ga 소스로 사용하고 H2O, O2 또는 N2O를 산소 소스로 사용합니다. 이 방법을 사용한 성장에는 일반적으로 고온(>800°C)이 필요합니다. 이 기술은 낮은 캐리어 농도와 고온 및 저온 전자 이동도를 달성할 수 있는 잠재력을 가지고 있으므로 고성능 β-Ga2O3 전력 소자 구현에 매우 중요합니다. MBE 성장법과 비교할 때 MOCVD는 고온 성장 및 화학 반응의 특성으로 인해 β-Ga2O3 박막의 매우 높은 성장 속도를 달성하는 장점이 있습니다.

그림 7 β-Ga2O3(010) AFM 이미지

그림 8 β-Ga2O3 홀과 온도로 측정한 μ와 시트 저항의 관계

2.3 HVPE 방법

HVPE는 성숙한 에피택셜 기술로 III-V족 화합물 반도체의 에피택셜 성장에 널리 사용되어 왔습니다. HVPE는 낮은 생산 비용, 빠른 성장 속도, 그리고 높은 박막 두께로 알려져 있습니다. HVPEβ-Ga2O3는 일반적으로 거친 표면 형태와 높은 밀도의 표면 결함 및 피트(pit)를 나타냅니다. 따라서 소자 제작 전에 화학적 및 기계적 연마 공정이 필요합니다. β-Ga2O3 에피택시를 위한 HVPE 기술은 일반적으로 기체 GaCl과 O2를 전구체로 사용하여 (001) β-Ga2O3 매트릭스의 고온 반응을 촉진합니다. 그림 9는 온도에 따른 에피택셜 박막의 표면 상태와 성장 속도를 보여줍니다. 최근 일본의 Novel Crystal Technology Inc.는 에피택셜 층 두께가 5~10μm이고 웨이퍼 크기가 2인치와 4인치인 HVPE 호모에피택셜 β-Ga2O3에서 상당한 상업적 성공을 거두었습니다. 또한, 중국전자과기그룹(China Electronics Technology Group Corporation)에서 생산한 두께 20μm의 HVPE β-Ga2O3 호모에피택셜 웨이퍼도 상용화 단계에 들어갔습니다.

그림 9 HVPE 방법 β-Ga2O3

2.4 PLD 방법

PLD 기술은 주로 복잡한 산화물 박막과 이종구조를 증착하는 데 사용됩니다. PLD 성장 과정에서 광자 에너지는 전자 방출 과정을 통해 표적 물질과 결합됩니다. MBE와 달리, PLD 소스 입자는 매우 높은 에너지(>100 eV)의 레이저 복사로 형성되어 가열된 기판에 증착됩니다. 그러나 삭마 공정 중 일부 고에너지 입자는 재료 표면에 직접 충돌하여 점 결함을 생성하고 박막의 품질을 저하시킵니다. MBE 방식과 유사하게, RHEED를 사용하여 PLD β-Ga2O3 증착 공정 동안 재료의 표면 구조와 형태를 실시간으로 모니터링하여 연구자들이 성장 정보를 정확하게 얻을 수 있도록 합니다. PLD 방식은 높은 전도성의 β-Ga2O3 박막을 성장시킬 것으로 예상되며, 이는 Ga2O3 전력 소자에 최적화된 오믹 접촉 솔루션이 될 것입니다.

그림 10 Si 도핑 Ga2O3의 AFM 이미지

2.5 MIST-CVD법

MIST-CVD는 비교적 간단하고 비용 효율적인 박막 성장 기술입니다. 이 CVD 방식은 기판에 분무된 전구체를 분사하여 박막을 증착하는 반응을 포함합니다. 그러나 현재까지 MIST CVD를 사용하여 성장된 Ga2O3는 우수한 전기적 특성이 부족하여 향후 개선 및 최적화의 여지가 많습니다.