KR102509541B1 - 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 및 그 제조 방법 - Google Patents

상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

오프-컷(off-cut) 사파이어 기판을 활용하여 700℃ 이하의 저온에서 성장한 산화갈륨 버퍼층의 도메인을 정렬하고, 900℃ 이상의 급속 열처리로 산화갈륨 버퍼층을 도메인이 정렬된 β-산화갈륨 완충층으로 상변이시키는 것에 의해 고품질의 β-상 산화갈륨 박막을 제조할 수 있는 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 제조 방법은 (a) 오프-컷 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 오프-컷 기판 상에 700℃ 이하의 온도 조건으로 성장시켜 산화갈륨 버퍼층을 형성하는 단계; (c) 상기 산화갈륨 버퍼층이 형성된 오프-컷 기판을 900℃ 이상의 온도 조건에서 급속 열처리하여 산화갈륨 버퍼층을 β-산화갈륨 완충층으로 상변이시키는 단계; 및 (d) 상기 상변이된 β-산화갈륨 완충층 상에 β-산화갈륨 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 및 그 제조 방법{GALLIUM OXIDE THIN FILM USING PHASE-TRANSITION DOMAIN ALIGNMENT BUFFER LAYER AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오프-컷(off-cut) 사파이어 기판을 활용하여 700℃ 이하의 저온에서 성장한 산화갈륨 버퍼층의 도메인을 정렬하고, 900℃ 이상의 급속 열처리로 산화갈륨 버퍼층을 도메인이 정렬된 β-산화갈륨 완충층으로 상변이시키는 것에 의해 고품질의 β-상 산화갈륨 박막을 제조할 수 있는 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 및 그 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 산화갈륨(Ga2O3) 소재는 GaN 또는 SiC 대비 제조비용이 대략 1/3 ~ 1/5 수준으로 저렴하여 가격 경쟁력을 갖춘 차세대 전력반도체용 웨이퍼이다.
특히, UWB 산화갈륨(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.
산화갈륨(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.
이러한 산화갈륨은 대략 4.9eV의 넓은 밴드 갭을 가지는 물질로 결정 구조와 Ga 이온의 수에 따라 서로 다른 상(α-, β-, γ-, δ-, κ-, ε-)을 가질 수 있다.
또한, 이러한 다양한 상들은 고온 열처리 공정에 따라 그 상이 α-, γ-, δ-, κ-, ε- 에서 열적으로 가장 안정한 상인 β-상으로 변형이 가능하다.
도 1은 종래에 따른 산화갈륨 박막 제조 과정을 설명하기 위한 모식도이고, 도 2는 종래에 따른 산화갈륨 박막을 촬영하여 나타낸 AFM 및 TEM 사진이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 c-플레인(c-plane) 사파이어 기판에 성장되는 산화갈륨 박막의 경우 단일상 위주로 그 연구가 진행되어 왔으며, 성장 시 상에 관계 없이 도메인들이 무작위적으로 60°씩 돌아가 성장되어 다량의 관통전위(threading dislocation)를 생성하는 성장 거동을 보였다.
이러한 전위는 산화갈륨 박막이 전자소자로 이용될 때 전자의 이동을 방해하는 결함으로 작용한다. 이와 같이, 도메인이 돌아가는 현상을 해결하기 위해 오프-컷(off-cut)된 사파이어 기판을 사용하여 도메인을 정렬하는 연구들이 진행되긴 하였으나, 아직까지 큰 성과를 이루지는 못한 상항이다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0086038호(2011.07.27. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 헤테로 구조체를 제작하기 위한 사파이어 기판의 표면 준비가 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 오프-컷(off-cut) 사파이어 기판을 활용하여 700℃ 이하의 저온에서 성장한 산화갈륨 버퍼층의 도메인을 정렬하고, 900℃ 이상의 급속 열처리로 산화갈륨 버퍼층을 도메인이 정렬된 β-산화갈륨 완충층으로 상변이시키는 것에 의해 고품질의 β-상 산화갈륨 박막을 제조할 수 있는 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 상변형 도메인 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 제조 방법은 (a) 오프-컷 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 오프-컷 기판 상에 700℃ 이하의 온도 조건으로 성장시켜 산화갈륨 버퍼층을 형성하는 단계; (c) 상기 산화갈륨 버퍼층이 형성된 오프-컷 기판을 900℃ 이상의 온도 조건에서 급속 열처리하여 산화갈륨 버퍼층을 β-산화갈륨 완충층으로 상변이시키는 단계; 및 (d) 상기 상변이된 β-산화갈륨 완충층 상에 β-산화갈륨 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a) 단계에서, 상기 오프-컷 기판은 x축 방향인 a면(11-20)이 비극성인 사파이어 기판을 이용한다.
아울러, 상기 오프-컷 기판은 5 ~ 12°의 절삭각(cutting angle)을 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계에서, 상기 산화갈륨 버퍼층은 α-, γ-, δ-, κ- 및 ε- 중 적어도 하나 이상의 상으로 형성된다.
상기 (b) 단계에서, 상기 성장은 N2 및 Ar 중 1종 이상의 가스 분위기에서 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 700℃의 성장온도 조건으로 실시한다.
상기 (c) 단계에서, 상기 급속 열처리는 900 ~ 1,100℃ 조건에서 1 ~ 2분 동안 실시하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 급속 열처리는 N2, Ar 및 O2 중 1종 이상의 가스 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다.
상기 급속 열처리시, 상기 산화갈륨 버퍼층이 재성장으로 β-산화갈륨 완충층으로 상변이가 일어나는 것에 의해, 전위 전파가 억제된다.
상기 (d) 단계에서, 상기 β-산화갈륨 박막은 N2 및 Ar 중 1종 이상의 가스 분위기에서 750 ~ 900℃의 소스온도 및 800 ~ 1,100℃의 성장온도 조건으로 에피 성장시킨다.
상기 (d) 단계 이후, 상기 β-산화갈륨 박막은 100 ~ 200cm2/V·s의 전자 이동도를 갖는다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 상변형 도메인 완충층을 이용한 산화갈륨 박막은 오프-컷 기판; 상기 오프-컷 기판 상에 배치되며, 급속 열처리에 의해 상변이된 β-산화갈륨 완충층; 및 상기 β-산화갈륨 완충층 상에 형성된 β-산화갈륨 박막;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 오프-컷 기판은 x축 방향인 a면(11-20)이 비극성인 사파이어 기판을 이용한다.
아울러, 상기 β-산화갈륨 완충층은 상기 급속 열처리에 의한 재성장으로 상변이가 일어나는 것에 의해, 전위 전파가 억제된다.
이 결과, 상기 β-산화갈륨 박막은 100 ~ 200cm2/V·s의 전자 이동도를 갖는다.
본 발명에 따른 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 및 그 제조 방법은 오프-컷 사파이어 기판을 활용하여 700℃ 이하의 저온에서 성장한 α-, γ-, δ-, κ-, ε- 등의 다양한 상을 갖는 산화갈륨 버퍼층의 도메인을 정렬하고, 1 ~ 3㎛의 박막 두께에서 기울어져 발생된 전위들을 900 ~ 1,100℃에서 급속 열처리(rapid thermal annealing : RTA)로 상변이시켜 전파되던 전위를 억제하였다.
이 결과, 본 발명에 따른 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 및 그 제조 방법은 도메인이 정렬된 상변이된 β-산화갈륨 완충층을 형성하고, 이를 활용하여 800 ~ 1,100℃의 온도 범위에서 에피 성장시키는 것에 의해 100 ~ 200cm2/V·s의 높은 전자 이동도를 갖는 고품질의 β-상 산화갈륨 박막을 형성할 수 있게 된다.
도 1은 종래에 따른 산화갈륨 박막 제조 과정을 설명하기 위한 모식도.
도 2는 종래에 따른 산화갈륨 박막을 촬영하여 나타낸 AFM 및 TEM 사진.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 제조 방법을 나타낸 공정 모식도.
도 8은 c-플레인 사파이어 기판과 4° 및 6°의 절삭각으로 오프-컷된 사파이어 기판에 산화갈륨 버퍼층을 각각 형성한 상태를 촬영하여 나타낸 AFM 사진.
도 9는 8° 및 10°의 절삭각으로 오프-컷된 사파이어 기판에 산화갈륨 버퍼층을 각각 형성한 상태를 촬영하여 나타낸 AFM 사진.
도 10은 c-플레인 사파이어 기판과 4° 및 6°의 절삭각으로 오프-컷된 사파이어 기판에 산화갈륨 버퍼층을 각각 형성한 상태를 측정하여 나타낸 XRD 사진.
도 11은 8° 및 10°의 절삭각으로 오프-컷된 사파이어 기판에 산화갈륨 버퍼층을 각각 형성한 상태를 측정하여 나타낸 XRD 사진.
도 12는 β-산화갈륨 완충층의 상변이 전과 후 상태를 각각 촬영하여 나타낸 SEM 및 AFM 사진.
도 13은 β-산화갈륨 완충층의 상변이 전과 후 상태를 측정하여 나타낸 XRD 그래프.
도 14는 β-산화갈륨 완충층의 상변이 전과 후 상태에 대한 투과율 측정 결과를 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 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 제조 방법을 나타낸 공정 모식도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 제조 방법은 오프-컷 기판 준비 단계(S110), 산화갈륨 버퍼층 형성 단계(S120), 산화갈륨 버퍼층을 β-산화갈륨 완충층으로 상변이시키는 단계(S130) 및 β-산화갈륨 박막 형성 단계(S140)를 포함한다.
오프-컷 기판 준비
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 오프-컷 기판 준비 단계(S110)에서는 오프-컷 기판(110)을 준비한다.
여기서, 오프-컷 기판(110)은 x축 방향인 a면(11-20)이 비극성인 사파이어 기판을 이용하는 것이 바람직하다.
아울러, 오프-컷 기판(110)은 5 ~ 12°의 절삭각(cutting angle)을 갖는 것을 이용하는 것이 보다 바람직하다.
산화갈륨 버퍼층 형성
도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 산화갈륨 버퍼층 형성 단계(S120)에서는 오프-컷 기판(110) 상에 700℃ 이하의 온도 조건으로 성장시켜 산화갈륨 버퍼층(120)을 형성한다.
이와 같이, 본 발명에서는 오프-컷 기판(110) 상에서 700℃ 이하의 온도에 조건으로 성장이 진행되는 것에 의해, α-, γ-, δ-, κ- 및 ε- 중 적어도 하나 이상의 상을 갖는 산화갈륨 버퍼층(120)이 형성된다.
여기서, 산화갈륨 버퍼층(120)은 5 ~ 12°의 절삭각을 갖는 (11-20)면 오프-컷 사파이어 기판(110) 상에서 성장이 이루어지는 것에 의해, 도메인이 잘 정렬되고, 비스듬한 사선형으로 전위가 생성되는 것을 확인할 수 있다.
이를 위해, 성장은 N2 및 Ar 중 1종 이상의 가스 분위기에서 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 700℃의 성장온도 조건으로 1 ~ 20분 동안 실시하는 것이 바람직하다.
여기서, 산화갈륨 버퍼층(120)의 성장을 위한 장비로는 MOCVD, HVPE 및 MBE 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있다. 일 예로, HVPE 장비는 소스 영역과 성장 영역으로 구분되어 있고 성장 온도는 저항 가열 방식으로 작동된다. 소스 영역은 GaClx의 전구체인 갈륨 금속이 놓여있고, 반응 가스인 HCl 가스를 주입함에 따라 생성된다. 성장 영역에는 소스 영역에서 생성된 GaClx와 산소가 반응하여 α-, γ-, δ-, κ- 및 ε- 중 적어도 하나 이상의 다양한 상을 갖는 산화갈륨 버퍼층(120)이 형성된다. N2 및 Ar 가스는 각 반응 가스를 소스 영역에서 성장 영역으로 이동시키기 위한 캐리어(carrier) 가스로 사용된다.
여기서, 소스온도가 450℃ 미만일 경우에는 낮은 온도로 인하여 성장률이 낮아지는 문제가 있다. 반대로, 소스 온도가 650℃를 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지는 문제가 있다.
또한, 성장온도가 400℃ 미만이거나 성장시간이 1분 미만일 경우에는 낮은 온도로 인하여 성장이 제대로 이루어지지 않을 우려가 있다. 반대로, 성장온도가 700℃를 초과하거나, 성장시간이 20분을 초과할 경우에는 산화갈륨 버퍼층(120)의 도메인 정렬이 틀어질 우려가 있다.
성장시 반응가스로는 O2 및 GaCl을 이용하되, O2 100 ~ 1,000sccm 및 GaCl 1 ~ 50sccm 조건으로 공급하는 것이 바람직하다. 이때, 반응가스의 유량은 HVPE 장비 내의 반응기의 크기에 따라 차이가 있을 수 있다. 두 가스의 비율은 VI/III=10 정도로 유지한다.
산화갈륨 버퍼층을 β-산화갈륨 완충층으로 상변이
도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 산화갈륨 버퍼층을 β-산화갈륨 완충층으로 상변이시키는 단계(S130)에서는 산화갈륨 버퍼층(도 5의 120)이 형성된 오프-컷 기판(110)을 900℃ 이상의 온도 조건에서 급속 열처리하여 산화갈륨 버퍼층을 β-산화갈륨 완충층(130)으로 상변이시킨다.
본 단계에서, 급속 열처리는 N2, Ar 및 O2 중 1종 이상의 가스 분위기에서 900 ~ 1,100℃ 조건으로 1 ~ 2분 동안 실시하는 것이 바람직하다.
여기서, 급속 열처리 온도가 900℃ 미만이거나, 급속 열처리 시간이 1분 미만일 경우에는 상변이가 완벽하게 이루어지지 못할 우려가 있다. 반대로, 급속 열처리 온도가 1,100℃를 초과하거나, 급속 열처리 시간이 2분을 초과할 경우에는 과도한 열처리로 인하여 표면 특성이 저하될 우려가 있다.
이러한 급속 열처리시, 산화갈륨 버퍼층이 재성장으로 β-산화갈륨 완충층(130)으로 상변이가 일어나는 것에 의해, 전위 전파가 억제된다.
즉, 본 발명의 경우, 급속 열처리를 통하여 α-, γ-, δ-, κ- 및 ε- 중 적어도 하나 이상의 상을 갖는 산화갈륨 버퍼층이 β-산화갈륨으로 상변이가 발생하면서 산화갈륨 버퍼층에 존재하던 전위들의 표면 전파가 억제될 수 있다. 이와 같이, 급속 열처리를 통한 상변이 방법은, 기존에 존재하던 무작위 도메인을 정렬할 수 있을 뿐만 아니라, 전위의 전파 역시 감소시키는데 탁월한 효과를 발휘할 수 있게 된다.
다시 말해, 기존 산화갈륨 박막에 대한 성장은 주로 c-plane 사파이어 기판을 활용하여 단일상에 대한 연구가 진행되었다. 아울러, 종래에 사용된 오프-컷 사파이어 기판을 사용하는 방식은 단순히 β-산화갈륨 박막을 기판 상에 바로 성장하여 무작위적으로 60°씩 돌아가는 도메인을 정렬하는 방식을 사용하였다. 또한, 6㎛ 이상의 두꺼운 두께를 활용하여 박막 표면으로 전파되는 전위를 막는 방법을 활용하였다.
이와 달리, 본 발명에서는 오프-컷 사파이어 기판(110)을 활용하여 700℃ 이하의 저온에서 성장한 α-, γ-, δ-, κ- 및 ε- 중 적어도 하나 이상의 다양한 상을 갖는 산화갈륨 버퍼층의 도메인을 정렬하고, 1 ~ 3 ㎛의 박막 두께에서 기울어져 발생된 전위들을 900 ~ 1,100℃ 급속 열처리(rapid thermal annealing : RTA)로 상변이시켜 전파되던 전위를 억제하였다.
이 결과, 본 발명에서는 도메인이 정렬된 상변이된 β-산화갈륨 완충층(130), 즉 상변형 도메인 정렬 완충층을 형성하고, 이를 활용하는 것에 의해 고품질의 β-산화갈륨 박막을 성장할 수 있게 되는 것이다.
β-산화갈륨 박막 형성
도 3 및 도 7에 도시된 바와 같이, β-산화갈륨 박막 형성 단계(S140)에서는 상변이된 β-산화갈륨 완충층(130) 상에 β-산화갈륨 박막(140)을 형성한다.
이와 같이, 본 발명에서는 급속 열처리를 이용하여 도메인이 정렬된 상변이된 β-산화갈륨 완충층(130)을 템플릿으로 활용하여 800 ~ 1,100℃의 온도 범위에서 에피 성장시키는 것에 의해 고품질의 β-상 산화갈륨 박막(140)을 형성할 수 있게 된다.
도 7의 도면부호 T는 전위 전파 저지선을 나타낸 것이다. 즉, 본 발명에서는 급속 열처리 후 상변이된 β-산화갈륨 완충층(130) 상에서 에피 성장을 통한 재성장이 이루어진다. 이에 따라, 전위들의 표면 전파가 억제된 전위 전파 저지선(T) 상에서 에피 성장이 이루어지는 것에 의해 고품질의 β-산화갈륨 박막(140)을 형성할 수 있게 되는 것이다.
이를 위해, 에피 성장은 N2 및 Ar 중 1종 이상의 가스 분위기에서 750 ~ 900℃의 소스온도 및 800 ~ 1,100℃의 성장온도 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 여기서, 에피 성장을 위한 장비로는 MOCVD, HVPE 및 MBE 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있으며, 이 중 HVPE 장비와 MOCVD 장비를 이용하는 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-산화갈륨 박막(140) 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 발명은, 기존 무작위적으로 60°씩 회전하여 형성된 도메인 형성을 막는 방식으로 활용되던 오프-컷 사파이어 기판 방식과 다르게, 700℃ 이하의 저온에서 성장한 다양한 상(α-, γ-, δ-, κ-, ε- )을 갖는 산화갈륨 박막층의 도메인을 정렬하고, 900 ~ 1,1000℃에서의 급속 열처리(rapid thermal annealing : RTA)를 활용하여 도메인이 정렬되고, 상변이를 통해 전파되던 전위를 억제한 β-산화갈륨 완충층(130)을 제조하고, 이를 활용한 에피 성장을 통하여 고품질의 β-산화갈륨 박막(140)을 제조할 수 있게 되는 것이다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막은 오프-컷 기판(110)과, 오프-컷 기판(110) 상에 배치되며, 급속 열처리에 의해 상변이된 β-산화갈륨 완충층(130)과, β-산화갈륨 완충층(130) 상에 형성된 β-산화갈륨 박막(140)을 포함한다.
여기서, β-산화갈륨 완충층(130)은 급속 열처리에 의한 재성장으로 상변이가 일어나는 것에 의해, 전위 전파가 억제된다. 이 결과, β-산화갈륨 박막(140)은 100 ~ 200cm2/V·s의 높은 전자 이동도를 갖는다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 및 그 제조 방법은 오프-컷 사파이어 기판을 활용하여 700℃ 이하의 저온에서 성장한 α-, γ-, δ-, κ-, ε- 등의 다양한 상을 갖는 산화갈륨 버퍼층의 도메인을 정렬하고, 1 ~ 3㎛의 박막 두께에서 기울어져 발생된 전위들을 900 ~ 1,100℃에서 급속 열처리(rapid thermal annealing : RTA)로 상 변이시켜 전파되던 전위를 억제하였다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 및 그 제조 방법은 도메인이 정렬된 상변이된 β-산화갈륨 완충층을 형성하고, 이를 활용하여 800 ~ 1,100℃의 온도 범위에서 에피 성장시키는 것에 의해 100 ~ 200cm2/V·s의 높은 전자 이동도를 갖는 고품질의 β-상 산화갈륨 박막을 형성할 수 있게 된다.
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.
도 8은 c-플레인 사파이어 기판과 4° 및 6°의 절삭각으로 오프-컷된 사파이어 기판에 산화갈륨 버퍼층을 각각 형성한 상태를 촬영하여 나타낸 AFM 사진이고, 도 9는 8° 및 10°의 절삭각으로 오프-컷된 사파이어 기판에 산화갈륨 버퍼층을 각각 형성한 상태를 촬영하여 나타낸 AFM 사진이다. 이때, 산화갈륨 버퍼층은 각 기판 상에서 N2 및 Ar 중 1종 이상의 가스 분위기에서 470℃의 소스온도 및 470℃의 성장온도 조건으로 성장시킨 α-Ga2O3 이었다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, c-플레인 사파이어 기판 상에 형성된 α-Ga2O3 버퍼층은 도메인이 무작위로 배열되어 있는 것을 확인할 수 있다. 반면, 무작위로 배열되던 도메인이 오프-컷 절삭각이 증가함에 따라 한 방향으로 잘 정리되는 것을 확인할 수 있다. 특히, 6° 이상의 절삭각으로 오프-컷된 사파이어 기판 상에 α-Ga2O3 버퍼층을 형성하는 것이 좋다는 것을 확인하였다.
한편, 도 10은 c-플레인 사파이어 기판과 4° 및 6°의 절삭각으로 오프-컷된 사파이어 기판에 산화갈륨 버퍼층을 각각 형성한 상태를 측정하여 나타낸 XRD 사진이고, 도 11은 8° 및 10°의 절삭각으로 오프-컷된 사파이어 기판에 산화갈륨 버퍼층을 각각 형성한 상태를 측정하여 나타낸 XRD 사진이다. 이때, 산화갈륨 버퍼층은 각 기판 상에서 N2 및 Ar 중 1종 이상의 가스 분위기에서 470℃의 소스온도 및 470℃의 성장온도 조건으로 성장시킨 α-Ga2O3 이었다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, c-플레인 사파이어 기판 상에서 성장한 α-Ga2O3 버퍼층과 4°, 6°, 8° 및 10°의 절삭각으로 오프-컷된 사파이어 기판 상에서 성장한 α-Ga2O3 버퍼층들은 모두 유사한 결정 피크를 나타내는 것을 확인하였다.
도 12는 β-산화갈륨 완충층의 상변이 전과 후 상태를 각각 촬영하여 나타낸 SEM 및 AFM 사진이고, 도 13은 β-산화갈륨 완충층의 상변이 전과 후 상태를 측정하여 나타낸 XRD 그래프이다. 또한, 도 14는 β-산화갈륨 완충층의 상변이 전과 후 상태에 대한 투과율 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12 내지 도 14에서는 다양한 상에 대한 변이가 가능하다는 것을 보이기 위해 κ-상(kappa-phase)을 이용하여 β-상으로 전이된 결과들을 나타내고 있다.
먼저, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, α-산화갈륨 버퍼층을 급속 열처리로 상변이시키기 전과 후의 상태를 나타내고 있다. 변이 후 표면에 큰 변화가 없었으며, 크랙 역시 발견되지 않았다.
XRD 측정 결과에서 알 수 있듯이, κ-산화갈륨 버퍼층이 1,000℃에서 90sec 동안 급속 열처리된 이후에는 β-산화갈륨 완충층으로 상변이 이루어진 것을 확인할 수 있다.
아울러, 도 14에 도시된 바와 같이, κ-산화갈륨 버퍼층에서 β-산화갈륨 완충층으로 상변이가 이루어지더라도 투과율 값에는 큰 변화가 없는 것을 확인할 수 있다.
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 : 오프-컷 기판 준비 단계
S120 : 산화갈륨 버퍼층 형성 단계
S130 : 산화갈륨 버퍼층을 β-산화갈륨 완충층으로 상변이시키는 단계
S140 : β-산화갈륨 박막 형성 단계

Claims (14)

  1. (a) 오프-컷 기판을 준비하는 단계;
    (b) 상기 오프-컷 기판 상에 700℃ 이하의 온도 조건으로 성장시켜 산화갈륨 버퍼층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 산화갈륨 버퍼층이 형성된 오프-컷 기판을 900℃ 이상의 온도 조건에서 급속 열처리하여 산화갈륨 버퍼층을 β-산화갈륨 완충층으로 상변이시키는 단계; 및
    (d) 상기 상변이된 β-산화갈륨 완충층 상에 β-산화갈륨 박막을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변형 도메인 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 오프-컷 기판은
    x축 방향인 a면(11-20)이 비극성인 사파이어 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 상변형 도메인 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 오프-컷 기판은
    5 ~ 12°의 절삭각(cutting angle)을 갖는 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 상변형 도메인 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 산화갈륨 버퍼층은
    α-, γ-, δ-, κ- 및 ε- 중 적어도 하나 이상의 상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 상변형 도메인 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 성장은
    N2 및 Ar 중 1종 이상의 가스 분위기에서 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 700℃의 성장온도 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 상변형 도메인 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 급속 열처리는
    900 ~ 1,100℃ 조건에서 1 ~ 2분 동안 실시하는 것을 특징으로 상변형 도메인 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 급속 열처리는
    N2, Ar 및 O2 중 1종 이상의 가스 분위기에서 실시하는 것을 특징으로 하는 상변형 도메인 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 급속 열처리시,
    상기 산화갈륨 버퍼층이 재성장으로 β-산화갈륨 완충층으로 상변이가 일어나는 것에 의해, 전위 전파가 억제되는 것을 특징으로 하는 상변형 도메인 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서,
    상기 β-산화갈륨 박막은
    N2 및 Ar 중 1종 이상의 가스 분위기에서 750 ~ 900℃의 소스온도 및 800 ~ 1,100℃의 성장온도 조건으로 에피 성장시키는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 상변형 도메인 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계 이후,
    상기 β-산화갈륨 박막은
    100 ~ 200cm2/V·s의 전자 이동도를 갖는 것을 특징으로 하는 상변형 도메인 완충층을 이용한 산화갈륨 박막 제조 방법.
  11. 오프-컷 기판;
    상기 오프-컷 기판 상에 배치되며, 급속 열처리에 의해 상변이된 β-산화갈륨 완충층; 및
    상기 β-산화갈륨 완충층 상에 형성된 β-산화갈륨 박막;
    을 포함하는 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 오프-컷 기판은
    x축 방향인 a면(11-20)이 비극성인 사파이어 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 상변형 도메인 완충층을 이용한 산화갈륨 박막.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 β-산화갈륨 완충층은
    상기 급속 열처리에 의한 재성장으로 상변이가 일어나는 것에 의해, 전위 전파가 억제되는 것을 특징으로 하는 상변형 도메인 완충층을 이용한 산화갈륨 박막.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 β-산화갈륨 박막은
    100 ~ 200cm2/V·s의 전자 이동도를 갖는 것을 특징으로 하는 상변형 도메인 정렬 완충층을 이용한 산화갈륨 박막.
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