KR102129390B1 - HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법 - Google Patents
HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
박막 형태의 에피 성장시에 복합 펄스 모드를 적용하여 β-Ga2O3 박막을 성장시키는 것에 의해, 결정성을 제어하여 고품질의 에피 성장으로의 제작이 가능할 뿐만 아니라, 생산 단가는 낮추면서 생산 수율을 향상시킬 수 있는 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법은 (a) 기판의 표면을 에칭하는 단계; (b) 상기 에칭된 기판 상에 GaCl을 공급하여 전처리하는 단계; 및 (c) 상기 전처리된 기판을 N2 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 750 ~ 900℃의 소스온도 및 800 ~ 1,100℃의 성장온도 조건으로 성장시켜 β-Ga2O3 박막을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 (c) 단계에서, 상기 성장시 증착 가스로는 O2 및 GaCl을 이용하되, 상기 O2 및 GaCl 모두를 주기적으로 공급 및 차단을 반복하는 복합 펄스 모드로 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법은 (a) 기판의 표면을 에칭하는 단계; (b) 상기 에칭된 기판 상에 GaCl을 공급하여 전처리하는 단계; 및 (c) 상기 전처리된 기판을 N2 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 750 ~ 900℃의 소스온도 및 800 ~ 1,100℃의 성장온도 조건으로 성장시켜 β-Ga2O3 박막을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 (c) 단계에서, 상기 성장시 증착 가스로는 O2 및 GaCl을 이용하되, 상기 O2 및 GaCl 모두를 주기적으로 공급 및 차단을 반복하는 복합 펄스 모드로 공급하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막 형태의 에피 성장시에 복합 펄스 모드(modified pulse mode)를 적용하여 β-Ga2O3 박막을 성장시키는 것에 의해, 결정성을 제어하여 고품질의 에피 성장으로의 제작이 가능할 뿐만 아니라, 생산 단가는 낮추면서 생산 수율을 향상시킬 수 있는 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법에 관한 것이다.
종래의 Si 기반 전력반도체 소자는 본질적인 물성한계로 인하여 기술발전 대비 성능개선의 한계에 도달하여 WBG(Wide bandgap)와 UWB(Ultra-wide bandgap) 특성을 갖는 전력반도체 소재의 산업적 필요성이 점점 확대되고 있다.
UWB Ga2O3 소재는 GaN 또는 SiC 대비 제조비용이 대략 1/3 ~ 1/5 수준으로 저렴하여 가격 경쟁력을 갖춘 차세대 전력반도체용 웨이퍼이다.
특히, UWB Ga2O3 소재는 밴드갭(Bandgap)에 의한 내 항복전압 특성에 의해 같은 항복전압을 가지기 위해서 박막의 두께를 대략 1/3 정도로 얇게 성장할 수 있을 뿐만 아니라, 고온 성장이 아니므로 이에 따른 비용이 절감될 수 있다.
Ga2O3 에피 기술은 β-Ga2O3 기판 위에 동종의 β-Ga2O3 단결정층을 성장하거나, 사파이어 등 이종기판 위에 α-Ga2O3 단결정층을 성장하는 기술로, 고품위의 단결정층을 얻기 위한 기술과 n 타입(n-type) 특성을 얻기 위한 도핑 기술을 포함한다.
Ga2O3 물질은 가장 안정한 형태인 β-Ga2O3를 기본으로 하고, 그 외에 4 종류(α, β, δ, ε)의 상으로 존재한다.
β-Ga2O3는 고온영역에서 가장 안정한 구조로 잉곳 성장이 용이하고, α-Ga2O3 상은 500℃ 이하의 저온 영역에서 상대적으로 안정한 구조이며, 나머지 상은 모두 준안정(meta-stable) 구조로 불안정한 상태로 존재한다.
β-Ga2O3 물질은 대략 4.8 ~ 4.9eV의 밴드갭을 가지고 있으며, 격자상수는 a = 12.124Å, b = 3.037Å, c = 5.798Å이며, α = γ = 90°, β = 103.83°의 각을 이루는 단사정계(monoclinic) 구조를 갖는다.
이러한 Ga2O3 벌크 성장의 경우, 종래의 실리콘(Si)이나 사파이어 기판을 성장하는 초크랄스키(Czochralski) 방식이 아닌 고온에서 안정된 결정면인 β-Ga2O3이 형성될 수 있는 EFG(Edge-defined film-fed growth) 방식으로 판상으로 성장된다. 이러한 EFG 방식의 경우, 벌크 성장으로부터 β-Ga2O3 이외의 다른 면을 가지는 기판을 제작하기에 어려움이 있다.
최근, 전력반도체 산업은 비약적인 발전을 거듭하면서 사회 전반에 미치는 파급 효과가 매우 큰 분야이며, 지금까지 Si이 전력반도체 산업의 주력 소자로 여러 분야에 응용되고 있다.
그러나, 오늘날 정보화 사회의 발전은 더욱 가속화되어 기존의 반도체 공정으로는 요구를 충족할 수 없으며, Si은 재료가 가지는 물리적인 한계를 드러내고 있는 실정이다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 최근에는 광역 에너지 금지 대역(Wide bandgap 또는 Ultra-wide bandgap)을 갖는 새로운 반도체 재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-1467118호(2014.12.01. 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 스퍼터링 방법을 이용한 산화갈륨 나노와이어의 제조 방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 박막 형태의 에피 성장시에 복합 펄스 모드를 적용하여 β-Ga2O3 박막을 성장시키는 것에 의해, 결정성을 제어하여 고품질의 에피 성장으로의 제작이 가능할 뿐만 아니라, 생산 단가는 낮추면서 생산 수율을 향상시킬 수 있는 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법은 (a) 기판의 표면을 에칭하는 단계; (b) 상기 에칭된 기판에 GaCl을 공급하여 전처리하는 단계; 및 (c) 상기 전처리된 기판을 N2 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 750 ~ 900℃의 소스온도 및 800 ~ 1,100℃의 성장온도 조건으로 성장시켜 β-Ga2O3 박막을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 (c) 단계에서, 상기 성장시 증착 가스로는 O2 및 GaCl을 이용하되, 상기 O2 및 GaCl 모두를 주기적으로 공급 및 차단을 반복하는 복합 펄스 모드로 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법은 박막 형태의 에피 성장시에 복합 펄스 모드를 적용하여 β-Ga2O3 박막을 성장시키는 것에 의해, 결정성을 제어하여 고품질의 에피 성장으로의 제작이 가능할 뿐만 아니라, 생산 단가는 낮추면서 생산 수율을 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명에서는 고온의 성장온도에서 반응성이 높아져 선행반응이 발생하는 점을 감안하여 O2 및 GaCl 모두를 주기적으로 공급 및 차단을 반복하되, O2 및 GaCl 상호 간의 공급 주기가 겹치지 않도록 교차적으로 O2 및 GaCl을 1 ~ 3분 간격으로 공급 및 차단을 각각 반복하는 복합 펄스 모드(modified pulse mode)를 이용하여 에피 성장을 수행하였다.
이 결과, 본 발명에서는 고온의 성장온도에서 반응성을 낮추어 표면조도 및 결정성을 향상시켜 고품질의 β-Ga2O3 박막을 제조하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 비교예 1에 따른 노멀 모드로 성장된 β-Ga2O3 박막의 제조 과정을 설명하기 위한 공정 모식도.
도 3은 비교예 2에 따른 펄스 모드로 성장된 β-Ga2O3 박막의 제조 과정을 설명하기 위한 공정 모식도.
도 4는 실시예 1에 따른 복합 펄스 모드로 성장된 β-Ga2O3 박막의 제조 과정을 설명하기 위한 공정 모식도.
도 5는 비교예 1 ~ 2 및 실시예 1에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 OM 사진.
도 6은 비교예 1 ~ 2 및 실시예 1에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 AFM 사진.
도 7은 비교예 1에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 SEM 사진.
도 8은 비교예 2에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 SEM 사진.
도 9는 실시예 1에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 SEM 사진.
도 10은 비교예 3 ~ 4 및 실시예 2에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 OM 사진.
도 11은 비교예 3 ~ 4 및 실시예 2에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 AFM 사진.
도 12는 비교예 3에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 13은 비교예 4에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 14는 실시예 2에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 15는 비교예 5 ~ 6 및 실시예 3에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 AFM 사진.
도 16은 비교예 5 ~ 6 및 실시예 3에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 17은 비교예 5 ~ 6 및 실시예 3에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막에 대한 XRD 측정 결과를 확대하여 나타낸 그래프.
도 2는 비교예 1에 따른 노멀 모드로 성장된 β-Ga2O3 박막의 제조 과정을 설명하기 위한 공정 모식도.
도 3은 비교예 2에 따른 펄스 모드로 성장된 β-Ga2O3 박막의 제조 과정을 설명하기 위한 공정 모식도.
도 4는 실시예 1에 따른 복합 펄스 모드로 성장된 β-Ga2O3 박막의 제조 과정을 설명하기 위한 공정 모식도.
도 5는 비교예 1 ~ 2 및 실시예 1에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 OM 사진.
도 6은 비교예 1 ~ 2 및 실시예 1에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 AFM 사진.
도 7은 비교예 1에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 SEM 사진.
도 8은 비교예 2에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 SEM 사진.
도 9는 실시예 1에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 SEM 사진.
도 10은 비교예 3 ~ 4 및 실시예 2에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 OM 사진.
도 11은 비교예 3 ~ 4 및 실시예 2에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 AFM 사진.
도 12는 비교예 3에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 13은 비교예 4에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 14는 실시예 2에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 15는 비교예 5 ~ 6 및 실시예 3에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 AFM 사진.
도 16은 비교예 5 ~ 6 및 실시예 3에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 17은 비교예 5 ~ 6 및 실시예 3에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막에 대한 XRD 측정 결과를 확대하여 나타낸 그래프.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다. 이때, 도 1에서는 이종 기판 상에 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법을 나타내었다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법은 에칭 단계(S110), 전처리 단계(S120), 성장 단계(S130) 및 냉각 단계(S140)를 포함한다.
에칭
에칭 단계(S110)에서는 기판의 표면을 에칭온도에서 에칭한다.
이때, 기판으로는 β-Ga2O3 박막과 이종 재질인 GaN, 사파이어, Si 등에서 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다.
본 단계에서, 에칭은 300 ~ 700℃에서 5 ~ 15분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 에칭온도가 300℃ 미만이거나, 또는 에칭시간이 5분 미만으로 실시될 경우, 표면 특성 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 에칭온도가 700℃를 초과하거나, 에칭시간이 15분을 초과하여 실시될 경우, 더 이상의 효과 상승 없이 제조 비용만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
전처리
전처리 단계(S120)에서는 에칭된 기판에 GaCl을 공급하여 버퍼층을 형성하는 전처리를 실시한다. 즉, 본 단계에서는 에칭된 기판에 갈륨소스를 HCl에 노출시키는 반응으로 GaCl을 공급하게 된다. 이에 따라, 에칭된 기판 상에는 버퍼층이 형성될 수 있다. 여기서, 갈륨소스와 HCl은 온도에 따라서 GaCl 및 GaCl3를 발생되므로 소스온도를 적절하게 유지시켜 주어야 한다.
또한, GaCl를 공급하는 공정은 이후 β-Ga2O3 박막 형성에서 핵생성을 위한 공정이므로 박막의 결정질에 상당한 영향을 미치는 요인 중 하나이다.
이때, 전처리는 4 ~ 8분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 전처리 시간이 4분 미만일 경우에는 표면 개질 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 전처리 시간이 8분을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 제조비용 및 시간만을 상승시키는 요인으로 작용하므로, 경제적이지 못하다.
성장
성장 단계(S130)에서는 전처리된 기판을 N2 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 750 ~ 900℃의 소스온도 및 800 ~ 1,100℃의 성장온도 조건으로 성장시켜 β-Ga2O3 박막을 형성한다. 이때, 성장온도는 900 ~ 1,000℃ 조건으로 실시하는 것이 보다 바람직하다.
특히, 본 단계에서, 성장시 증착 가스로는 O2 및 GaCl을 이용하되, O2 및 GaCl 모두를 주기적으로 공급 및 차단을 반복하는 복합 펄스 모드(modified pulse mode)로 공급하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 에칭된 기판에 GaCl을 흘려주어 전처리를 실시한 후, 박막 형태의 에피 성장시에 증착 가스의 유량 비율을 조절하여 결정성을 제어하는 것에 의해, 핵생성이 효과적으로 일어나 광학 특성 및 결정성 향상 효과를 도모할 수 있게 된다.
이를 위해, 증착 가스는 O2 100 ~ 1,000sccm 및 GaCl 1 ~ 50sccm 조건으로 공급하되, O2 및 GaCl 모두를 주기적으로 공급 및 차단을 반복하는 복합 펄스 모드로 공급하게 된다. 가스의 유량은 HVPE 장비 내의 반응기의 크기에 따라 차이가 있을 수 있다. 이때, GaCl은 HVPE 장비 내의 소스 영역(source zone)에서 HCl과 Ga가 반응하여 생성된 것이 이용될 수 있다.
특히, 본 단계시, O2 및 GaCl 모두를 주기적으로 공급 및 차단을 반복하되, O2 및 GaCl 상호 간의 공급 주기가 겹치지 않도록 교차적으로 O2 및 GaCl을 1 ~ 3분 간격으로 공급 및 차단을 각각 반복하는 복합 펄스 모드(modified pulse mode)로 공급하는 것이 보다 바람직하다.
GaCl의 유량이 1sccm 미만일 경우에는 GaCl의 유량이 적어 성장률이 낮아지는 관계로 생산 수율을 저하시키는 문제가 있다. 반대로, GaCl의 유량이 50sccm을 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지고 입자가 커져 β-Ga2O3 박막 두께가 과도하게 증가시킬 우려가 있다.
또한, O2의 유량이 100sccm 미만일 경우에는 O2의 유량이 적어 성장률이 낮아지는 관계로 생산 수율을 저하시키는 문제가 있다. 반대로, O2의 유량이 1,000sccm을 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지고 입자가 커져 β-Ga2O3 박막 두께를 과도하게 증가시킬 우려가 있다.
또한, 본 단계에서, 성장은 750 ~ 900℃의 소스온도 및 800 ~ 1,100℃의 성장온도 조건에서 5 ~ 15분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 이때, 소스온도가 750℃ 미만일 경우에는 낮은 온도로 인하여 성장률이 낮아지는 문제가 있다. 반대로, 소스 온도가 900℃를 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지고 입자가 커져 β-Ga2O3 박막 두께가 과도하게 증가하는 문제가 있다.
또한, 성장온도가 800℃ 미만이거나, 성장시간이 5분 미만일 경우에는 낮은 온도로 인하여 성장률이 낮아지는 문제가 있다. 반대로, 성장온도가 1,100℃를 초과하거나, 성장시간이 15분을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
본 단계에서, 압력은 상압 조건으로 일정하게 유지시킨 상태로 실시하는 것이 바람직하다.
여기서, 800 ~ 1,100℃의 고온 영역의 성장온도에서는 반응성이 높아져 선행반응(pre-reaction)이 발생하기 때문에 반응성을 낮출 수 있는 복합 펄스 모드(modified pulse mode)를 이용하여 에피 성장을 수행하는 것이 표면조도 및 결정 향상에 효과적이라는 것을 실험을 통하여 확인하였다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법에 의해 제조된 β-Ga2O3 박막은 500 ~ 2,000nm 두께를 가지며, 평균 Ra 및/또는 Rq 제곱 평균 제곱근(root mean square; RMS) 표면조도(surface roughness)가 20nm 이하를 갖는다.
냉각
냉각 단계(S140)에서는 β-Ga2O3 박막이 형성된 기판을 상온까지 냉각한다.
이때, 냉각은 자연 냉각 방식이 이용될 수 있다. 상온은 0 ~ 40℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이상으로, 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법이 종료될 수 있다.
한편, 본 발명의 변형예에 따른 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법은 성장 단계 및 냉각 단계를 포함할 수 있다.
성장 단계에서는 Ga2O3 기판을 N2 가스 분위기로 노출시킨 상태에서 750 ~ 900℃의 소스온도 및 800 ~ 1,100℃의 성장온도 조건으로 성장시켜 β-Ga2O3 박막을 형성한다.
이때, 성장시 증착 가스로는 O2 및 GaCl을 이용하되, O2 및 GaCl 모두를 주기적으로 공급 및 차단을 반복하는 복합 펄스 모드로 공급한다.
냉각 단계에서는 β-Ga2O3 박막이 형성된 Ga2O3 기판을 상온까지 냉각한다. 이때, 냉각은 자연 냉각 방식이 이용될 수 있다. 상온은 0 ~ 40℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 변형예는 동종 기판 상에 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막을 제조하는 방법에 대하여 개시하고 있다. 이때, 본 발명의 변형예에서는 에칭 단계 및 전처리 단계를 실시하는 것 없이 동종 기판 상에 직접 β-Ga2O3 박막을 성장시킨 것을 제외하고는 본 발명의 실시예와 실질적으로 동일한 방식으로 고품질 β-Ga2O3 박막을 제조하게 된다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법은 박막 형태의 에피 성장시에 복합 펄스 모드를 적용하여 β-Ga2O3 박막을 성장시키는 것에 의해, 결정성을 제어하여 고품질의 에피 성장으로의 제작이 가능할 뿐만 아니라, 생산 단가는 낮추면서 생산 수율을 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명에서는 고온의 성장온도에서 반응성이 높아져 GaCl과 O2의 선행반응이 발생하는 점을 감안하여 O2 및 GaCl 모두를 주기적으로 공급 및 차단을 반복하되, O2 및 GaCl 상호 간의 공급 주기가 겹치지 않도록 교차적으로 O2 및 GaCl을 1 ~ 3분 간격으로 공급 및 차단을 각각 반복하는 복합 펄스 모드(modified pulse mode)를 이용하여 에피 성장을 수행하였다.
이 결과, 본 발명에서는 고온의 성장온도에서 반응성을 낮추어 표면조도 및 결정성을 향상시켜 고품질의 β-Ga2O3 박막을 제조하였다.
일반적으로, MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) 성장법은 복잡한 구조의 LED(lighting-emitting diode)나 LD(laser diode)와 같은 질화물계 에피 성장에는 매우 효과적이지만 산소 분위기에서 성장되는 산화물계 에피 성장에서 적용하기 위해서는 전구체(Precursor) 물질의 개발이 필요하다.
이와 달리, 본 발명의 제조 방법에 사용되는 HVPE(Halide Vapor Phase Epitaxy) 성장법은 GaN나 SiC 에피층 성장법인 MOCVD 성장법에 비해 생산성, 유지비 및 초기 설비투자비 측면에서 매우 유리한 장점을 갖는다.
이에 따라, HVPE(Halide Vapor Phase Epitaxy) 성장법을 이용하여 제조되는 β-Ga2O3 박막은 기상법이나 고상법으로 제조하는 GaN이나 SiC 보다 제조비용이 매우 저렴한 장점이 있어서 궁극적으로 웨이퍼 가격의 경쟁력을 갖출 수 있게 된다.
따라서, HVPE(Halide Vapor Phase Epitaxy) 성장법을 이용하여 β-Ga2O3 박막을 제조시킬 경우, 1kV 이상에서 SiC나 GaN 보다 더 낮은 온-저항을 갖기 때문에 고전압 전력변환 시 전력손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 1kV 이상의 고전압 전력 반도체소자 부품은 SiC가 현재의 Si 기술을 대체하고 있는 실정이나, β-Ga2O3 박막을 이용한 초광대역 밴드갭 반도체의 경우 향후 SiC 대비 가격 경쟁력을 갖출 수 있을 뿐만 아니라 전력소자로서의 FOM(Figure-of-Merit)이 매우 우수(SiC에 비하여 대략 10배)하기 때문에 보다 높은 고전압 전력소자 응용으로 전력산업, 전기자동차, 전력기기 등 다양한 분야에서 활용하는 것이 가능해질 수 있게 된다.
이에 따라, β-Ga2O3 박막을 이용한 초광대역 밴드갭 반도체는 현재 각광 받고 있는 광대역 밴드갭 반도체인 SiC와 GaN 보다 물질적 우수성을 지니고 있으며, 궁극적으로 웨이퍼 생산가격이 낮기 때문에 항복전압이 2kV 이상인 100kW 급의 고전력이 필요한 분야에 대한 활용이 매우 높을 것으로 판단된다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. β-Ga
2
O
3
박막 제조
실시예 1
사파이어 기판의 표면을 400℃의 에칭온도에서 11분 동안 에칭한 후, 갈륨소스를 HCl에 노출시키는 반응으로 GaCl을 4분 동안 흘려주는 전처리를 실시하여 버퍼층을 형성하였다.
다음으로, 버퍼층이 형성된 기판을 상압 및 N2 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 850℃의 소스온도 및 1,050℃의 성장온도 조건으로 10분 동안 성장시켜 β-Ga2O3 박막을 제조하였다. 성장 시, GaCl은 15sccm 조건으로 2분 간격으로 공급 및 차단을 반복하여 공급하고, O2는 250sccm 조건으로 GaCl과는 교번적으로 2분 간격으로 공급 및 차단을 반복하는 복합 펄스 모드(modified pulse mode)로 공급하였다.
다음으로, β-Ga2O3 박막이 형성된 기판을 자연 냉각 방식으로 상온(15℃)까지 냉각하였다.
실시예 2
전처리를 5분 동안 실시한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 β-Ga2O3 박막를 제조하였다.
실시예 3
Ga2O3 기판을 상압 및 N2 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 850℃의 소스온도 및 1,050℃의 성장온도 조건으로 10분 동안 성장시켜 β-Ga2O3 박막을 제조하였다. 성장 시, GaCl은 15sccm 조건으로 2분 간격으로 공급 및 차단을 반복하여 공급하고, O2는 250sccm 조건으로 GaCl과는 교번적으로 2분 간격으로 공급 및 차단을 반복하는 복합 펄스 모드(modified pulse mode)로 공급하였다.
다음으로, β-Ga2O3 박막이 형성된 기판을 자연 냉각 방식으로 상온(15℃)까지 냉각하였다.
비교예 1
성장 시, GaCl은 15sccm 조건으로 지속적으로 공급하고, O2는 250sccm 조건으로 지속적으로 공급하는 노멀 모드(normal mode)로 공급한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 β-Ga2O3 박막를 제조하였다.
비교예 2
성장 시, GaCl은 10sccm 조건으로 지속적으로 공급하고, O2는 250sccm 조건으로 2분 간격으로 공급 및 차단을 반복하는 펄스 모드(pulse mode)로 공급한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 β-Ga2O3 박막를 제조하였다.
비교예 3
전처리를 0분 동안 실시한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 β-Ga2O3 박막를 제조하였다.
비교예 4
전처리를 3분 동안 실시한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 방법으로 β-Ga2O3 박막를 제조하였다.
비교예 5
β-Ga2O3 박막과 동종 재질인 Ga2O3 기판을 준비하였다.
비교예 6
Ga2O3 기판을 상압 및 N2 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 850℃의 소스온도 및 1,050℃의 성장온도 조건으로 10분 동안 성장시켜 β-Ga2O3 박막을 제조하였다.
성장 시, GaCl은 15sccm 조건으로 지속적으로 공급하고, O2는 250sccm 조건으로 지속적으로 공급하는 노멀 모드(normal mode)로 공급하였다.
다음으로, β-Ga2O3 박막이 형성된 기판을 자연 냉각 방식으로 상온(15℃)까지 냉각하였다.
도 2는 비교예 1에 따른 노멀 모드로 성장된 β-Ga2O3 박막의 제조 과정을 설명하기 위한 공정 모식도이고, 도 3은 비교예 2에 따른 펄스 모드로 성장된 β-Ga2O3 박막의 제조 과정을 설명하기 위한 공정 모식도이며, 도 4는 실시예 1에 따른 복합 펄스 모드로 성장된 β-Ga2O3 박막의 제조 과정을 설명하기 위한 공정 모식도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, GaCl을 흘려주어 버퍼층을 형성한 후, 박막 형태의 에피 성장시 성장 조건을 다양하게 변경하여 진행하였다.
이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 비교예 1의 경우에는 버퍼층을 형성한 후, O2 및 GaCl 가스를 지속적으로 공급하는 노멀 모드로 에피 성장을 진행하였다.
반면, 도 3에 도시된 바와 같이, 비교예 2의 경우에는 버퍼층을 형성한 후, GaCl은 지속적으로 공급하고, O2는 2분 간격으로 공급 및 차단을 반복하는 펄스 모드(pulse mode)로 에피 성장을 진행하였다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 비교예 2의 경우에는 버퍼층을 형성한 후, GaCl은 지속적으로 공급하고, O2는 2분 간격으로 공급 및 차단을 반복하는 펄스 모드(pulse mode)로 에피 성장을 진행하였다.
반면, 도 5에 도시된 바와 같이, 실시예 1의 경우에는 버퍼층을 형성한 후, GaCl 및 O2 모두를 2분 간격으로 공급 및 차단을 반복하여 공급하되, O2 및 GaCl 상호 간의 공급 주기가 겹치지 않도록 교차적으로 공급하는 복합 펄스 모드(modified pulse mode)로 공급하여 에피 성장을 진행하였다.
2. 물성 평가
도 5는 비교예 1 ~ 2 및 실시예 1에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 OM 사진이고, 도 6은 비교예 1 ~ 2 및 실시예 1에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 AFM 사진이다. 이때, 도 5 및 도 6의 (a)는 비교예 1, (b)는 비교예 2, (c)는 실시예 1을 나타낸 것이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 비교예 1 ~ 2 및 실시예 1 모두 미러같은(Mirror-like) 표면으로 성장되었고 크랙(crack)과 핏(pit)은 관찰되지 않았다.
이때, 실시예 1에 따라 제조된 β-Ga2O3 박막은 평균 RMS 표면조도가 15.8nm를 나타내어 목표값을 만족하였다. 반면, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 β-Ga2O3 박막은 평균 RMS 표면조도가 227nm 및 166nm로 측정되어 목표값을 벗어났다.
한편, 도 7은 비교예 1에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 SEM 사진이고, 도 8은 비교예 2에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 SEM 사진이고, 도 9는 실시예 1에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 SEM 사진이다.
도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, SEM 사진을 통해 알 수 있듯이, 실시예 1에 따라 제조된 β-Ga2O3 박막이 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 β-Ga2O3 박막에 비하여 결정성이 향상된 것을 확인할 수 있다.
위의 실험 결과를 통해 알 수 있듯이, 800 ~ 1,100℃의 성장온도에서는 반응성이 높아져 선행반응(pre-reaction)이 발생하기 때문에 반응성을 낮출 수 있는 복합 펄스 모드를 이용하여 에피 성장을 수행하는 것이 효과적이라는 것을 확인하였다.
도 10은 비교예 3 ~ 4 및 실시예 2에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 OM 사진이고, 도 11은 비교예 3 ~ 4 및 실시예 2에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 AFM 사진이다. 이때, 도 10 및 도 11의 (a)는 비교예 3, (b)는 비교예 4, (c)는 실시예 2을 나타낸 것이다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 전처리 시간이 0분, 3분 및 5분 조건으로 변경됨에 따라 결정성에 차이가 나타났으며, 전처리 시간을 5분간 실시한 실시예 2가 비교예 3 ~ 4에 비하여 결정성이 향상된 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 12는 비교예 3에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이고, 도 13은 비교예 4에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이며, 도 14는 실시예 2에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이, XRD 측정 결과를 통하여 확인할 수 있듯이, 전처리 시간이 0분, 3분 및 5분으로 점점 증가함에 따라 반치폭이 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 반치폭의 감소로 결정성이 향상된 것으로 판단된다.
도 15는 비교예 5 ~ 6 및 실시예 3에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막을 촬영하여 나타낸 AFM 사진이다. 이때, 도 15의 (a)는 비교예 5, (b)는 비교예 6, (c)는 실시예 3을 나타낸 것이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 비교예 6의 경우에는 600nm 두께를 타겟으로 호모 에피텍셜 성장(homo-epitaxial growth)을 실시하였다. 이때, 비교예 6은 동종 기판이기에 노멀 모드(normal mode)로 GaCl 및 O2를 공급하더라도 고품질의 β-Ga2O3 박막이 성장될 것으로 예상하였으나, 선행반응(pre-reaction)의 영향으로 에피 성장되는 것을 방해하는 문제가 발생하였다.
반면, 실시예 3의 경우에는 600nm 두께를 타겟으로 호모 에피텍셜 성장(homo-epitaxial growth)을 실시하였으며, 실시예 6과 같이 복합 펄스 모드로 GaCl 및 O2를 공급할 시, 비교예 6에 비하여 성장 두께가 900nm로 증가함에 따라 결정성 및 표면 특성이 개선되는 것을 확인하였다.
또한, 도 16은 비교예 5 ~ 6 및 실시예 3에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이며, 도 17은 비교예 5 ~ 6 및 실시예 3에 따른 방법으로 제조된 β-Ga2O3 박막에 대한 XRD 측정 결과를 확대하여 나타낸 그래프이다. 이때, 도 16 및 도 17의 (d)의 (1)은 비교예 5, (2)는 비교예 6, (3)은 실시예 3을 나타낸 것이다. 또한, 도 17의 (a)는 비교예 5, (b)는 비교예 6, (c)는 실시예 3을 나타낸 것이다.
도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이, XRD 측정 결과를 통하여 알 수 있듯이, 비교예 6 및 실시예 3에 따라 제조된 β-Ga2O3 박막은 호모 에피텍셜 성장(homo-epitaxial growth)에도 반치폭은 증가하지 않고 두께에 따라 감소하는 경향이 나타났다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : 에칭 단계
S120 : 전처리 단계
S130 : 성장 단계
S140 : 냉각 단계
S120 : 전처리 단계
S130 : 성장 단계
S140 : 냉각 단계
Claims (14)
- (a) 기판의 표면을 에칭하는 단계;
(b) 상기 에칭된 기판에 GaCl을 공급하여 전처리하는 단계; 및
(c) 상기 전처리된 기판을 N2 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 750 ~ 900℃의 소스온도 및 800 ~ 1,100℃의 성장온도 조건으로 성장시켜 β-Ga2O3 박막을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 (c) 단계에서, 상기 성장시 증착 가스로는 O2 및 GaCl을 이용하되, 상기 O2 및 GaCl 모두를 주기적으로 공급 및 차단을 반복하는 복합 펄스 모드로 공급하는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 기판은
상기 β-Ga2O3 박막과 이종 재질인 GaN, 사파이어 및 Si 중 선택된 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
상기 에칭은
300 ~ 700℃에서 5 ~ 15분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 전처리는
4 ~ 8분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 O2 및 HCl은
100 ~ 1,000sccm 및 1 ~ 50sccm 조건으로 각각 공급하되, 상기 O2 및 GaCl 모두를 주기적으로 공급 및 차단을 반복하는 복합 펄스 모드로 공급하는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법.
- 제5항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 복합 펄스 모드는
상기 O2 및 GaCl을 1 ~ 3분 간격으로 공급 및 차단을 각각 반복하는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 O2 및 GaCl은
상호 간의 공급 주기가 겹치지 않도록 교차적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 성장온도는
900 ~ 1,000℃ 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 성장은
5 ~ 15분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 β-Ga2O3 박막은
500 ~ 2,000nm 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계 이후,
상기 β-Ga2O3 박막은
평균 RMS 표면조도가 20nm 이하를 갖는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계 이후,
(d) 상기 β-Ga2O3 박막이 형성된 기판을 상온까지 냉각하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법.
- (a) Ga2O3 기판을 N2 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 750 ~ 900℃의 소스온도 및 800 ~ 1,100℃의 성장온도 조건으로 성장시켜 β-Ga2O3 박막을 형성하는 단계; 및
(b) β-Ga2O3 박막이 형성된 기판을 상온까지 냉각하는 단계;를 포함하며,
상기 (a) 단계에서, 상기 성장시 증착 가스로는 O2 및 GaCl을 이용하되, 상기 O2 및 GaCl 모두를 주기적으로 공급 및 차단을 반복하는 복합 펄스 모드로 공급하는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법에 의해 제조된 β-Ga2O3 박막.
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| KR1020190061138A KR102129390B1 (ko) | 2019-05-24 | 2019-05-24 | HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법 |
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| KR102129390B1 true KR102129390B1 (ko) | 2020-07-02 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220100196A (ko) * | 2021-01-08 | 2022-07-15 | 한국세라믹기술원 | 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 및 그 제조 방법 |
| KR102491498B1 (ko) * | 2021-12-06 | 2023-01-27 | 한국세라믹기술원 | ＨＶＰＥ 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조장치 및 제조방법 |
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| KR20180094437A (ko) * | 2017-02-15 | 2018-08-23 | 한양대학교 산학협력단 | 수소화물 기상증착법(hvpe)을 이용한 질화갈륨 기판의 제조 방법 |
-
2019
- 2019-05-24 KR KR1020190061138A patent/KR102129390B1/ko active IP Right Grant
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