2. 에피택셜 박막 성장
기판은 Ga2O3 전력 소자의 물리적 지지층 또는 전도성 층 역할을 합니다. 다음으로 중요한 층은 전압 저항 및 전하 수송에 사용되는 채널층 또는 에피택셜 층입니다. 항복 전압을 높이고 전도 저항을 최소화하기 위해서는 제어 가능한 두께와 도핑 농도, 그리고 최적의 재료 품질이 필수적입니다. 고품질 Ga2O3 에피택셜 층은 일반적으로 분자빔 에피택시(MBE), 금속유기화학기상증착(MOCVD), 할로겐화물 기상증착(HVPE), 펄스 레이저 증착(PLD) 및 포그 CVD 기반 증착 기술을 사용하여 증착됩니다.
표 2 대표적인 에피택셜 기술들
2.1 MBE 방법
MBE 기술은 초고진공 환경과 높은 재료 순도 덕분에 제어 가능한 n형 도핑을 갖는 고품질의 결함 없는 β-Ga2O3 박막을 성장시킬 수 있는 능력으로 잘 알려져 있습니다. 그 결과, MBE는 가장 널리 연구되고 상용화 가능성이 높은 β-Ga2O3 박막 증착 기술 중 하나가 되었습니다. 또한, MBE 방법은 고품질의 저농도 도핑된 이종 구조 β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 박막을 성공적으로 제조했습니다. MBE는 반사 고에너지 전자 회절(RHEED)을 사용하여 원자층 정밀도로 표면 구조와 형태를 실시간으로 모니터링할 수 있습니다. 그러나 MBE 기술로 성장시킨 β-Ga2O3 박막은 낮은 성장 속도와 작은 박막 크기 등 여러 가지 문제점을 여전히 안고 있습니다. 본 연구에서는 성장 속도가 (010) > (001) > (−201) > (100) 순서임을 확인했습니다. 650~750°C의 약간 Ga이 풍부한 조건에서 β-Ga2O3(010)은 매끄러운 표면과 높은 성장 속도로 최적의 성장을 보인다. 이 방법을 사용하여 0.1 nm의 RMS 거칠기를 갖는 β-Ga2O3 에피택시를 성공적으로 구현했다. 그림은 Ga이 풍부한 환경에서 다양한 온도에서 성장시킨 β-Ga2O3 MBE 박막을 보여준다. Novel Crystal Technology Inc.는 10 × 15 mm2 β-Ga2O3 MBE 웨이퍼를 성공적으로 에피택시 성장시켰다. 이 웨이퍼는 두께 500 μm, XRD FWHM 150 arc초 미만의 고품질 (010) 방향 β-Ga2O3 단결정 기판을 제공한다. 기판은 Sn 또는 Fe로 도핑되었다. 주석이 도핑된 전도성 기판은 1E18~9E18cm⁻³의 도핑 농도를 가지는 반면, 철이 도핑된 반절연 기판은 10E10 Ω·cm보다 높은 저항률을 가진다.
2.2 MOCVD 방법
MOCVD(금속유기화학기상증착법)는 금속유기화합물을 전구체 물질로 사용하여 박막을 성장시키는 기술로, 대규모 상업 생산이 가능합니다. MOCVD 방식으로 Ga2O3를 성장시킬 때, 갈륨(Ga) 공급원으로는 트리메틸갈륨(TMGa), 트리에틸갈륨(TEGa), 그리고 Ga(디펜틸글리콜포르메이트)가 주로 사용되며, 산소 공급원으로는 H2O, O2 또는 N2O가 사용됩니다. 이 방법을 이용한 성장은 일반적으로 800°C 이상의 고온을 필요로 합니다. 이 기술은 낮은 전하 캐리어 농도와 고온 및 저온에서의 전자 이동도를 구현할 수 있는 잠재력을 가지고 있어 고성능 β-Ga2O3 전력 소자 구현에 매우 중요한 의미를 지닙니다. MBE(분자빔 에피택시) 성장 방식과 비교했을 때, MOCVD는 고온 성장 및 화학 반응의 특성으로 인해 β-Ga2O3 박막의 성장 속도를 매우 높게 달성할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.
그림 7 β-Ga2O3(010) AFM 이미지
그림 8. β-Ga2O3의 μ와 홀 측정법으로 측정한 면저항 및 온도 간의 관계
2.3 HVPE 방법
HVPE는 성숙한 에피택시 기술로 III-V 화합물 반도체의 에피택시 성장에 널리 사용되어 왔습니다. HVPE는 낮은 생산 비용, 빠른 성장 속도, 그리고 높은 박막 두께로 잘 알려져 있습니다. 다만, HVPE로 성장시킨 β-Ga2O3는 일반적으로 표면이 거칠고 표면 결함 및 피트 밀도가 높아 소자 제조 전에 화학적 및 기계적 연마 공정이 필요하다는 점에 유의해야 합니다. β-Ga2O3 에피택시를 위한 HVPE 기술은 일반적으로 기체 상태의 GaCl와 O2를 전구체로 사용하여 (001) β-Ga2O3 매트릭스의 고온 반응을 촉진합니다. 그림 9는 온도에 따른 에피택시 박막의 표면 상태와 성장 속도를 보여줍니다. 최근 일본의 Novel Crystal Technology Inc.는 5~10 μm의 에피택시층 두께와 2인치 및 4인치 웨이퍼 크기를 갖는 HVPE 동종 에피택시 β-Ga2O3에서 상당한 상업적 성공을 거두었습니다. 또한, 중국전자기술그룹공사(China Electronics Technology Group Corporation)에서 생산한 20μm 두께의 HVPE β-Ga2O3 동종 에피택셜 웨이퍼도 상용화 단계에 진입했습니다.
그림 9 HVPE 방법 β-Ga2O3
2.4 PLD 방법
PLD(펄스 레이저 증착) 기술은 주로 복합 산화물 박막 및 이종 구조를 증착하는 데 사용됩니다. PLD 성장 과정에서 광자 에너지는 전자 방출 과정을 통해 타겟 물질에 전달됩니다. MBE(분자빔 에피택시)와 달리, PLD 소스 입자는 100eV 이상의 고에너지 레이저 복사에 의해 생성된 후 가열된 기판 위에 증착됩니다. 그러나 어블레이션 과정에서 일부 고에너지 입자가 물질 표면에 직접 충돌하여 점 결함을 생성하고 박막 품질을 저하시킬 수 있습니다. MBE 방식과 유사하게, RHEED(레이저 유도 전자 회절)를 사용하여 PLD β-Ga2O3 증착 과정 중 실시간으로 물질의 표면 구조 및 형태를 모니터링할 수 있으므로 연구자들은 정확한 성장 정보를 얻을 수 있습니다. PLD 방식은 높은 전도성을 갖는 β-Ga2O3 박막을 성장시킬 수 있을 것으로 기대되며, 이는 Ga2O3 전력 소자에서 최적화된 오믹 접촉 솔루션이 될 수 있습니다.
그림 10. Si가 도핑된 Ga2O3의 AFM 이미지
2.5 MIST-CVD 방법
MIST-CVD는 비교적 간단하고 비용 효율적인 박막 성장 기술입니다. 이 CVD 방법은 기판 위에 미립화된 전구체를 분사하여 박막을 증착하는 반응을 이용합니다. 그러나 현재까지 MIST-CVD 방식으로 성장시킨 Ga2O3는 우수한 전기적 특성을 나타내지 못하고 있어 향후 개선 및 최적화의 여지가 많습니다.
게시일: 2024년 5월 30일