KR102636146B1 - Kappa gallium oxide thin film structure using gallium metal buffer layer and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

저온에서 성장이 이루어지기 어려운 카파 갈륨옥사이드를 갈륨 금속 버퍼층(Ga metal buffer)을 활용하여 c-면(c-plain) 사파이어 기판 상에 550℃ 이하의 저온에서 성장시킨 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체는 사파이어 기판; 상기 사파이어 기판 상에 형성된 카파 갈륨옥사이드층; 및 상기 사파이어 기판과 카파 갈륨옥사이드층 사이에 배치된 갈륨 금속 버퍼층;을 포함하며, 상기 갈륨 금속 버퍼층은 사파이어 기판과 카파 갈륨옥사이드층 간의 중간에서 격자상수 차이를 감소시켜 스트레인 완충제로 작용하는 것을 특징으로 한다.
Kappa gallium oxide, which is difficult to grow at low temperatures, is grown on a c-plain sapphire substrate using a gallium metal buffer layer at a low temperature of 550℃ or lower. Disclosed is an oxide thin film structure and a method for manufacturing the same.
The kappa gallium oxide thin film structure using the gallium metal buffer layer according to the present invention includes a sapphire substrate; A kappa gallium oxide layer formed on the sapphire substrate; And a gallium metal buffer layer disposed between the sapphire substrate and the kappa gallium oxide layer, wherein the gallium metal buffer layer acts as a strain buffer by reducing the difference in lattice constant in the middle between the sapphire substrate and the kappa gallium oxide layer. do.

Description

갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 및 그 제조 방법{KAPPA GALLIUM OXIDE THIN FILM STRUCTURE USING GALLIUM METAL BUFFER LAYER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}KAPPA gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer and its manufacturing method {KAPPA GALLIUM OXIDE THIN FILM STRUCTURE USING GALLIUM METAL BUFFER LAYER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온에서 성장이 이루어지기 어려운 카파 갈륨옥사이드를 갈륨 금속 버퍼층(Ga metal buffer)을 활용하여 c-면(c-plain) 사파이어 기판 상에 550℃ 이하의 저온에서 성장시킨 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention relates to kappa gallium oxide, which is difficult to grow at low temperatures, by using a gallium metal buffer layer (Ga metal buffer) to c- It relates to a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer grown at a low temperature of 550°C or lower on a c-plain sapphire substrate and a method of manufacturing the same.

일반적으로, 갈륨옥사이드는 온도에 따라 다른 상으로 성장되고 온도에 따라 상전이가 일어난다.In general, gallium oxide grows into different phases depending on temperature, and phase transitions occur depending on temperature.

550℃ 이하의 저온에서는 알파 갈륨옥사이드가 성장되고, 600 ~ 700℃ 사이에서는 카파 갈륨옥사이드가 성장된다.Alpha gallium oxide is grown at low temperatures below 550℃, and kappa gallium oxide is grown between 600 and 700℃.

또한, 사파이어 기판 상에 갈륨옥사이드를 성장할 시 격자 상수의 차이로 인해 온도 조건이 맞아야 성장하고자 하는 상으로 성장된다.In addition, when growing gallium oxide on a sapphire substrate, due to the difference in lattice constants, temperature conditions must be met for it to grow into the desired phase.

따라서, 550℃ 이하 저온에서 알파 갈륨옥사이드는 사파이어 기판과의 격자 상수 차이가 비교적 적어 알파 갈륨옥사이드가 성장된다. 이로 인해, 550℃ 이하 저온에서는 사파이어 기판 상에 카파 갈륨옥사이드를 성장시키기 어려운 문제가 있었다.Therefore, alpha gallium oxide is grown at low temperatures below 550°C because the difference in lattice constant between alpha gallium oxide and the sapphire substrate is relatively small. Because of this, there was a problem in that it was difficult to grow kappa gallium oxide on a sapphire substrate at low temperatures below 550°C.

관련 선행 문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-1897494호(2018.09.12. 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 산화질화갈륨 박막의 제조방법이 기재되어 있다.Related prior literature includes Republic of Korea Patent Publication No. 10-1897494 (announced on September 12, 2018), which describes a method of manufacturing a gallium oxynitride thin film.

본 발명의 목적은 저온에서 성장이 이루어지기 어려운 카파 갈륨옥사이드를 갈륨 금속 버퍼층(Ga metal buffer)을 활용하여 c-면(c-plain) 사파이어 기판 상에 550℃ 이하의 저온에서 성장시킨 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to produce a gallium metal buffer layer grown at a low temperature of 550°C or lower on a c-plain sapphire substrate using kappa gallium oxide, which is difficult to grow at low temperatures, using a gallium metal buffer. To provide a kappa gallium oxide thin film structure using and a method of manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체는 사파이어 기판; 상기 사파이어 기판 상에 형성된 카파 갈륨옥사이드층; 및 상기 사파이어 기판과 카파 갈륨옥사이드층 사이에 배치된 갈륨 금속 버퍼층;을 포함하며, 상기 갈륨 금속 버퍼층은 사파이어 기판과 카파 갈륨옥사이드층 간의 중간에서 격자상수 차이를 감소시켜 스트레인 완충제로 작용하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer according to an embodiment of the present invention includes a sapphire substrate; A kappa gallium oxide layer formed on the sapphire substrate; And a gallium metal buffer layer disposed between the sapphire substrate and the kappa gallium oxide layer, wherein the gallium metal buffer layer acts as a strain buffer by reducing the difference in lattice constant in the middle between the sapphire substrate and the kappa gallium oxide layer. do.

상기 사파이어 기판은 c-면, r-면, m-면 및 a-면 중 어느 하나의 사파이어 기판을 이용한다.The sapphire substrate is one of c-plane, r-plane, m-plane, and a-plane.

상기 갈륨 금속 버퍼층은 17 ~ 30nm의 평균 직경을 갖는 갈륨 금속으로 이루어진다.The gallium metal buffer layer is made of gallium metal with an average diameter of 17 to 30 nm.

상기 갈륨 금속 버퍼층은 상기 갈륨 금속이 무작위로 분산되도록 증착되어 적층되어 있다.The gallium metal buffer layer is deposited and stacked so that the gallium metal is randomly dispersed.

상기 카파 갈륨옥사이드층은 50nm ~ 10㎛의 두께를 갖는다.The kappa gallium oxide layer has a thickness of 50 nm to 10 μm.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 제조 방법은 (a) 사파이어 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 사파이어 기판 상에 갈륨 소스를 선 증착하여 갈륨 금속 버퍼층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 갈륨 금속 버퍼층을 씨드로 이용한 HVPE 성장법으로 에피 성장시켜 상기 갈륨 금속 버퍼층이 형성된 사파이어 기판 상에 카파 갈륨옥사이드층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 (c) 단계에서, 상기 카파 갈륨옥사이드층은 불활성 가스 분위기에서 550℃ 이하의 성장온도 조건으로 성장시키는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer according to an embodiment of the present invention to achieve the above object includes the steps of (a) preparing a sapphire substrate; (b) forming a gallium metal buffer layer by pre-depositing a gallium source on the sapphire substrate; and (c) forming a kappa gallium oxide layer on the sapphire substrate on which the gallium metal buffer layer is formed by epi-growing using the HVPE growth method using the gallium metal buffer layer as a seed. In step (c), The kappa gallium oxide layer is grown in an inert gas atmosphere at a growth temperature of 550°C or lower.

상기 (a) 단계에서, 상기 사파이어 기판은 c-면, r-면, m-면 및 a-면 중 어느 하나의 사파이어 기판을 이용한다.In step (a), any one of c-plane, r-plane, m-plane, and a-plane is used as the sapphire substrate.

상기 (b) 단계에서, 상기 갈륨 소스의 선 증착시, 증착 가스로 HCl을 사용하며, 상기 HCl의 공급량은 갈륨 금속의 평균 직경이 17 ~ 30nm를 갖도록 제어한다.In step (b), when pre-depositing the gallium source, HCl is used as a deposition gas, and the supply amount of HCl is controlled so that the average diameter of the gallium metal is 17 to 30 nm.

상기 HCl은 400 ~ 700sccm의 공급 유량 조건으로 공급한다.The HCl is supplied at a supply flow rate of 400 to 700 sccm.

상기 (b) 단계에서, 상기 갈륨 금속 버퍼층은 17 ~ 30nm의 평균 직경을 갖는 갈륨 금속으로 이루어진다.In step (b), the gallium metal buffer layer is made of gallium metal with an average diameter of 17 to 30 nm.

상기 갈륨 금속 버퍼층은 상기 갈륨 금속이 무작위로 분산되도록 증착되어 적층되어 있다.The gallium metal buffer layer is deposited and stacked so that the gallium metal is randomly dispersed.

상기 갈륨 금속 버퍼층은 상기 사파이어 기판과 카파 갈륨옥사이드층 사이에서 스트레인을 완충시킨다.The gallium metal buffer layer buffers strain between the sapphire substrate and the kappa gallium oxide layer.

상기 (c) 단계에서, 상기 에피 성장은 불활성 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 550℃의 성장온도 조건으로 실시한다.In step (c), the epi-growth is performed under conditions of a source temperature of 450 to 650°C and a growth temperature of 400 to 550°C while exposed to an inert gas atmosphere.

상기 카파 갈륨옥사이드층은 50nm ~ 10㎛의 두께를 갖는다.The kappa gallium oxide layer has a thickness of 50 nm to 10 μm.

본 발명에 따른 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 및 그 제조 방법은 에피 성장 전 사파이어 기판 상에 갈륨 금속을 선 증착으로 갈륨 금속 버퍼층을 형성함으로써 격자상수 차이에 의해 발생하는 스트레인을 감소시켜 550℃ 이하의 저온에서 카파 갈륨옥사이드를 성장시키는 것을 가능하게 하였다.The Kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer according to the present invention and its manufacturing method form a gallium metal buffer layer by line deposition of gallium metal on a sapphire substrate before epitaxial growth, thereby reducing the strain caused by the difference in lattice constants. It made it possible to grow kappa gallium oxide at low temperatures below 550°C.

이와 같이, 본 발명에 따른 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 및 그 제조 방법은 에피 성장 전 갈륨 금속을 선 증착을 통하여 사파이어 기판 및 카파 갈륨옥사이드층과의 중간에서 스트레인 완충제 역할을 하는 갈륨 금속 버퍼층을 형성하는 것에 의해, 격자상수 차이에 의해 발생하는 과도한 스트레인을 미연에 감소시킬 수 있게 된다.In this way, the kappa gallium oxide thin film structure using the gallium metal buffer layer according to the present invention and the manufacturing method thereof include gallium that acts as a strain buffer in the middle between the sapphire substrate and the kappa gallium oxide layer through line deposition of gallium metal before epitaxial growth. By forming a metal buffer layer, excessive strain caused by differences in lattice constants can be reduced in advance.

이 결과, 본 발명에 따른 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 및 그 제조 방법은 갈륨 금속 버퍼층을 활용하여 c-면(c-plain) 사파이어 기판 상에 550℃ 이하의 저온에서 순수한 카파 갈륨옥사이드를 성장시킬 수 있으므로, 공정 비용 및 시간을 절감할 수 있게 된다.As a result, the kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer according to the present invention and the manufacturing method thereof utilize a gallium metal buffer layer to produce pure kappa gallium at a low temperature of 550°C or lower on a c-plain sapphire substrate. Since oxide can be grown, process cost and time can be reduced.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 3은 HCl을 200sccm 및 300sccm의 공급 유량 조건으로 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 갈륨 금속 버퍼층을 형성시킨 상태를 촬영하여 나타낸 SEM 사진.
도 4는 HCl을 400sccm 및 700sccm의 공급 유량 조건으로 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 갈륨 금속 버퍼층을 형성시킨 상태를 촬영하여 나타낸 SEM 사진.
도 5는 HCl을 200 ~ 700sccm의 공급 유량 조건으로 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 갈륨 금속 버퍼층의 갈륨 금속 입자 크기를 비교하여 나타낸 그래프.
도 6은 HCl을 200 ~ 700sccm의 공급 유량 조건으로 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 형성된 갈륨 금속 버퍼층을 활용하여 갈륨 옥사이드층을 형성시킨 상태를 나타낸 XRD 그래프.
도 7은 HCl을 200sccm 및 300sccm의 공급 유량 조건으로 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 형성된 갈륨 금속 버퍼층을 활용하여 갈륨 옥사이드층을 성장시킨 과정을 나타낸 모식도.
도 8은 HCl을 400sccm 및 700sccm의 공급 유량 조건으로 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 형성된 갈륨 금속 버퍼층을 활용하여 갈륨 옥사이드층을 성장시킨 과정을 나타낸 모식도.
도 9 내지 도 12는 HCl을 200sccm, 300sccm, 400sccm 및 700sccm의 공급 유량 조건으로 각각 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 형성된 갈륨 금속 버퍼층을 활용하여 갈륨 옥사이드층을 성장시킨 상태를 촬영하여 나타낸 SEM 및 AFM 사진들.
도 13은 HCl의 유량을 200 ~ 700sccm의 속도로 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 갈륨 금속 버퍼층을 형성시킨 후 갈륨 옥사이드층을 성장시킨 상태의 투과도 및 밴드갭 측정 결과를 나타낸 그래프.
Figure 1 is a cross-sectional view showing a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a process flow chart showing a method of manufacturing a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is an SEM photograph showing a state in which a gallium metal buffer layer was formed by pre-depositing a gallium source by supplying HCl at a supply flow rate of 200 sccm and 300 sccm.
Figure 4 is an SEM photograph showing a state in which a gallium metal buffer layer was formed by pre-depositing a gallium source by supplying HCl at a supply flow rate of 400 sccm and 700 sccm.
Figure 5 is a graph showing a comparison of the size of gallium metal particles in a gallium metal buffer layer by pre-depositing a gallium source by supplying HCl at a supply flow rate of 200 to 700 sccm.
Figure 6 is an XRD graph showing the state in which a gallium oxide layer was formed using a gallium metal buffer layer formed by pre-depositing a gallium source by supplying HCl at a supply flow rate of 200 to 700 sccm.
Figure 7 is a schematic diagram showing the process of growing a gallium oxide layer using a gallium metal buffer layer formed by pre-depositing a gallium source by supplying HCl at a supply flow rate of 200 sccm and 300 sccm.
Figure 8 is a schematic diagram showing the process of growing a gallium oxide layer using a gallium metal buffer layer formed by pre-depositing a gallium source by supplying HCl at a supply flow rate of 400 sccm and 700 sccm.
Figures 9 to 12 are SEM and AFM images showing the state in which a gallium oxide layer was grown using a gallium metal buffer layer formed by pre-depositing a gallium source by supplying HCl at supply flow conditions of 200 sccm, 300 sccm, 400 sccm, and 700 sccm, respectively. pictures.
Figure 13 is a graph showing the transmittance and band gap measurement results when a gallium metal buffer layer was formed by pre-depositing a gallium source by supplying HCl at a flow rate of 200 to 700 sccm and then a gallium oxide layer was grown.

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.The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and will be implemented in various different forms. The present embodiments only serve to ensure that the disclosure of the present invention is complete and that common knowledge in the technical field to which the present invention pertains is provided. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, a detailed description will be given of the kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer and its manufacturing method according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체를 나타낸 단면도이다.Figure 1 is a cross-sectional view showing a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체(100)는 사파이어 기판(120), 카파 갈륨옥사이드층(160) 및 갈륨 금속 버퍼층(140)을 포함한다.Referring to FIG. 1, the kappa gallium oxide thin film structure 100 using a gallium metal buffer layer according to an embodiment of the present invention includes a sapphire substrate 120, a kappa gallium oxide layer 160, and a gallium metal buffer layer 140. do.

사파이어 기판(120)은 일면 및 일면에 반대되는 타면을 갖는 플레이트 형상을 가질 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 그 형상은 다양하게 변경될 수 있다.The sapphire substrate 120 may have a plate shape with one side and an opposite side to the first side, but this is an example and its shape may be changed in various ways.

이러한 사파이어 기판(120)으로는 GaN이 증착된 사파이어(GaN on Sapphire), InGaN이 증착된 사파이어(InGaN on sapphire), AlGaN이 증착된 사파이어(AlGaN on sapphire) 및 AlN이 증착된 사파이어(AlN on sapphire) 중 어느 하나가 이용될 수 있다. 보다 바람직하게, 사파이어 기판(120)으로는 c-면, r-면, m-면 및 a-면 중 어느 하나의 사파이어 기판을 이용하는 것이 좋다. 여기서, a-면 사파이어 기판으로는 4 ~ 12°의 절삭각을 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다.These sapphire substrates 120 include sapphire with GaN deposited (GaN on Sapphire), sapphire with InGaN deposited (InGaN on sapphire), sapphire with AlGaN deposited (AlGaN on sapphire), and sapphire with AlN deposited (AlN on sapphire). ) can be used. More preferably, any one of c-plane, r-plane, m-plane, and a-plane is used as the sapphire substrate 120. Here, it is preferable to use an a-plane sapphire substrate having a cutting angle of 4 to 12°.

카파 갈륨옥사이드층(160)은 사파이어 기판(120) 상에 형성된다. 이러한 카파 갈륨옥사이드층(160)은 50nm ~ 10㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.The kappa gallium oxide layer 160 is formed on the sapphire substrate 120. This kappa gallium oxide layer 160 preferably has a thickness of 50 nm to 10 μm.

카파 갈륨옥사이드층(160)은 불활성 가스 분위기에서 550℃ 이하의 성장온도 조건으로 성장되는데, 이는 에피 성장 전 사파이어 기판 상에 형성된 갈륨 금속 버퍼층(140)이 격자상수 차이에 의해 발생하는 스트레인을 감소시킨데 기인한 것으로 판단된다.The kappa gallium oxide layer 160 is grown under growth temperature conditions of 550°C or lower in an inert gas atmosphere, which means that the gallium metal buffer layer 140 formed on the sapphire substrate before epitaxial growth reduces the strain caused by the difference in lattice constants. It is believed to be caused by

갈륨 금속 버퍼층(140)은 사파이어 기판(120)과 카파 갈륨옥사이드층(160) 사이에 배치된다.The gallium metal buffer layer 140 is disposed between the sapphire substrate 120 and the kappa gallium oxide layer 160.

이러한 갈륨 금속 버퍼층(140)은 사파이어 기판(120) 및 카파 갈륨옥사이드층(160)과의 중간에서 스트레인 완충제 역할을 하여 격자상수 차이에 의해 발생하는 과도한 스트레인을 미연에 감소시킬 수 있게 된다.This gallium metal buffer layer 140 acts as a strain buffer between the sapphire substrate 120 and the kappa gallium oxide layer 160, thereby reducing excessive strain caused by differences in lattice constants.

이와 같이, 갈륨 금속 버퍼층(140)은 사파이어 기판(120)과 카파 갈륨옥사이드층(160) 간의 중간에서 격자상수 차이를 감소시켜 스트레인 완충제로 작용한다. 이러한 갈륨 금속 버퍼층(140)은 17 ~ 30nm의 평균 직경을 갖는 갈륨 금속으로 이루어진다.In this way, the gallium metal buffer layer 140 acts as a strain buffer by reducing the difference in lattice constant between the sapphire substrate 120 and the kappa gallium oxide layer 160. This gallium metal buffer layer 140 is made of gallium metal with an average diameter of 17 to 30 nm.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawings.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.Figure 2 is a process flow chart showing a method of manufacturing a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 제조 방법은 사파이어 기판 준비 단계(S110), 갈륨 금속 버퍼층 형성 단계(S120) 및 카파 갈륨옥사이드층 형성 단계(S130)를 포함한다.As shown in Figure 1, the method of manufacturing a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer according to an embodiment of the present invention includes a sapphire substrate preparation step (S110), a gallium metal buffer layer forming step (S120), and a kappa gallium oxide layer. Includes a forming step (S130).

사파이어 기판 준비Sapphire substrate preparation

사파이어 기판 준비 단계(S110)에서는 사파이어 기판을 준비한다.In the sapphire substrate preparation step (S110), a sapphire substrate is prepared.

이때, 사파이어 기판은 일면 및 일면에 반대되는 타면을 갖는 플레이트 형상을 가질 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 그 형상은 다양하게 변경될 수 있다.At this time, the sapphire substrate may have a plate shape with one side and the other side opposite to the one side, but this is an example and the shape may be changed in various ways.

이러한 사파이어 기판으로는 GaN이 증착된 사파이어(GaN on Sapphire), InGaN이 증착된 사파이어(InGaN on sapphire), AlGaN이 증착된 사파이어(AlGaN on sapphire) 및 AlN이 증착된 사파이어(AlN on sapphire) 중 어느 하나가 이용될 수 있다. 보다 바람직하게, 사파이어 기판으로는 c-면, r-면, m-면 및 a-면 중 어느 하나의 사파이어 기판을 이용하는 것이 좋다. 여기서, a-면 사파이어 기판으로는 4 ~ 12°의 절삭각을 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다.These sapphire substrates include sapphire with GaN deposited (GaN on Sapphire), sapphire with InGaN deposited (InGaN on sapphire), sapphire with AlGaN deposited (AlGaN on sapphire), and sapphire with AlN deposited (AlN on sapphire). One can be used. More preferably, it is good to use any one of c-plane, r-plane, m-plane, and a-plane as the sapphire substrate. Here, it is preferable to use an a-plane sapphire substrate having a cutting angle of 4 to 12°.

갈륨 금속 버퍼층 형성Formation of gallium metal buffer layer

갈륨 금속 버퍼층 형성 단계(S120)에서는 사파이어 기판 상에 갈륨 소스를 선 증착하여 갈륨 금속 버퍼층을 형성한다.In the gallium metal buffer layer forming step (S120), a gallium source is deposited on a sapphire substrate to form a gallium metal buffer layer.

일반적으로, 550℃ 이하의 저온에서는 격자상수 차이와 온도 조건에 의해 사파이어 기판 상에 카파 갈륨옥사이드를 성장시키는 것이 어려웠다.In general, at low temperatures below 550°C, it was difficult to grow kappa gallium oxide on a sapphire substrate due to the difference in lattice constants and temperature conditions.

이에, 본 발명에서는 550℃ 이하의 저온에서 HVPE 성장법으로 에피 성장하여 카파 갈륨옥사이드를 형성하기 위해, 에피 성장 전 사파이어 기판 상에 갈륨 금속 버퍼층을 형성함으로써 격자상수 차이에 의해 발생하는 스트레인을 감소시켜 550℃ 이하의 저온에서 카파 갈륨옥사이드를 성장시키는 것을 가능하게 하였다.Accordingly, in the present invention, in order to form kappa gallium oxide by epi-growth using the HVPE growth method at a low temperature of 550 ° C. or lower, a gallium metal buffer layer is formed on the sapphire substrate before epi-growth to reduce the strain caused by the difference in lattice constants. It made it possible to grow kappa gallium oxide at low temperatures below 550°C.

이와 같이, 갈륨 금속 버퍼층은 사파이어 기판 및 카파 갈륨옥사이드층과의 중간에서 스트레인 완충제 역할을 하여 격자상수 차이에 의해 발생하는 과도한 스트레인을 미연에 감소시키기 위해 형성된다.In this way, the gallium metal buffer layer is formed to act as a strain buffer between the sapphire substrate and the kappa gallium oxide layer to reduce excessive strain caused by differences in lattice constants.

이러한 갈륨 소스의 선 증착시, 증착 가스로 HCl을 사용하며, HCl의 공급량은 갈륨 금속의 평균 직경이 17 ~ 30nm를 갖도록 제어하는 것이 바람직하다. 이를 위해, HCl은 350 ~ 800sccm의 공급 유량 조건으로 공급하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게 HCl은 400 ~ 700sccm의 공급 유량 조건으로 공급하는 것이 좋다.When pre-depositing such a gallium source, HCl is used as a deposition gas, and the supply amount of HCl is preferably controlled so that the average diameter of the gallium metal is 17 to 30 nm. For this purpose, HCl is preferably supplied at a supply flow rate of 350 to 800 sccm, and more preferably, HCl is supplied at a supply flow rate of 400 to 700 sccm.

HCl의 공급 유량이 350sccm 미만일 경우에는 격자상수 차이에 의해 발생하는 스트레인 감소 효과가 미미하여 에피 성장시 카파 갈륨옥사이드로 성장되지 못할 우려가 있다. 반대로, HCl의 공급 유량이 800sccm을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 HCl의 공급 유량만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.If the supply flow rate of HCl is less than 350 sccm, the strain reduction effect caused by the difference in lattice constant is minimal, and there is a risk that kappa gallium oxide may not be grown during epi growth. Conversely, if the supply flow rate of HCl exceeds 800 sccm, it may act as a factor in increasing the supply flow rate of HCl without further increasing the effect, making it uneconomical.

이러한 갈륨 금속 버퍼층은 HCl의 공급 유량이 증가할수록 입자의 크기가 증가하는 경향을 나타낸다. 이때, HCl이 350 ~ 800sccm의 공급 유량 조건으로 공급됨에 따라, 갈륨 금속 버퍼층은 17 ~ 30nm의 평균 직경을 갖는 갈륨 금속으로 이루어진다. 이러한 갈륨 금속 버퍼층은 갈륨 금속이 무작위로 분산되도록 증착되어 적층되어 있다.This gallium metal buffer layer shows a tendency for the particle size to increase as the supply flow rate of HCl increases. At this time, as HCl is supplied at a supply flow rate of 350 to 800 sccm, the gallium metal buffer layer is made of gallium metal with an average diameter of 17 to 30 nm. This gallium metal buffer layer is deposited and stacked so that gallium metal is randomly dispersed.

카파 갈륨옥사이드층 형성Formation of kappa gallium oxide layer

카파 갈륨옥사이드층 형성 단계(S130)에서는 갈륨 금속 버퍼층을 씨드로 이용한 HVPE 성장법으로 에피 성장시켜 갈륨 금속 버퍼층이 형성된 사파이어 기판 상에 카파 갈륨옥사이드층을 형성한다.In the kappa gallium oxide layer forming step (S130), a gallium gallium oxide layer is formed on the sapphire substrate on which the gallium metal buffer layer is formed by epi-growing using the HVPE growth method using the gallium metal buffer layer as a seed.

본 단계에서, 카파 갈륨옥사이드층은 불활성 가스 분위기에서 550℃ 이하의 성장온도 조건으로 성장시킬 수 있는데, 이는 에피 성장 전 사파이어 기판 상에 형성된 갈륨 금속 버퍼층이 격자상수 차이에 의해 발생하는 스트레인을 감소시킨 데 기인한 것으로 판단된다.At this stage, the kappa gallium oxide layer can be grown in an inert gas atmosphere at a growth temperature of 550°C or lower, which reduces the strain caused by the difference in lattice constants of the gallium metal buffer layer formed on the sapphire substrate before epitaxial growth. It is believed to be caused by

이때, 사파이어 기판 상에 HCl이 350 ~ 800sccm의 공급 유량 조건으로 공급되는 프리 증착을 통해 형성된 갈륨 금속 버퍼층을 활용하여 HVPE 성장법으로 에피 성장할 시, 550℃ 이하의 저온에서 순수한 카파 갈륨옥사이드가 성장되는 것을 실험을 통하여 확인하였다. 이러한 카파 갈륨옥사이드층은 50nm ~ 10㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.At this time, when epi-growing using the HVPE growth method using a gallium metal buffer layer formed through pre-deposition where HCl is supplied at a supply flow rate of 350 to 800 sccm on a sapphire substrate, pure kappa gallium oxide is grown at a low temperature of 550°C or lower. This was confirmed through experiment. This kappa gallium oxide layer preferably has a thickness of 50 nm to 10 μm.

보다 구체적으로, 카파 갈륨옥사이드층은 불활성 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 450 ~ 600℃의 소스온도 및 400 ~ 550℃의 성장온도 조건으로 5 ~ 15분 동안 성장시켜 형성한다.More specifically, the kappa gallium oxide layer is formed by growing for 5 to 15 minutes at a source temperature of 450 to 600°C and a growth temperature of 400 to 550°C while exposed to an inert gas atmosphere.

이러한 에피 성장시 증착 가스로는 HCl 5 ~ 50sccm 및 O2 100 ~ 1,000sccm의 공급 유량 조건으로 공급하는 것이 바람직하다.During such epi-growth, it is desirable to supply the deposition gas at a supply flow rate of 5 to 50 sccm of HCl and 100 to 1,000 sccm of O 2 .

HCl의 유량이 5sccm 미만일 경우에는 HCl의 유량이 적어 성장률이 낮아지는 관계로 생산 수율을 저하시키는 문제가 있다. 반대로, HCl의 유량이 50sccm을 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지고 입자가 커져 카파 갈륨옥사이드층의 두께가 과도하게 증가될 우려가 있다.When the flow rate of HCl is less than 5 sccm, there is a problem of lowering the production yield because the growth rate is lowered due to the small flow rate of HCl. Conversely, if the flow rate of HCl exceeds 50 sccm, there is a risk that the surface characteristics will deteriorate and the particles will become large, causing the thickness of the kappa gallium oxide layer to excessively increase.

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 카파 갈륨옥사이드층의 두께를 과도하게 증가시킬 우려가 있다.In addition, when the flow rate of O 2 is less than 100 sccm, there is a problem of lowering the production yield because the flow rate of O 2 is small and the growth rate is lowered. On the other hand, if the flow rate of O 2 exceeds 1,000 sccm, there is a risk of excessively increasing the thickness of the kappa gallium oxide layer due to poor surface properties and large particles.

소스온도가 450℃ 미만일 경우에는 낮은 온도로 인하여 성장률이 낮아지는 문제가 있다. 반대로, 소스 온도가 600℃를 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지고 입자가 커져 카파 갈륨옥사이드층의 두께가 과도하게 증가하는 문제가 있다.If the source temperature is less than 450°C, there is a problem that the growth rate is lowered due to the low temperature. Conversely, when the source temperature exceeds 600°C, surface characteristics deteriorate, particles become large, and the thickness of the kappa gallium oxide layer increases excessively.

또한, 성장온도가 400℃ 미만일 경우에는 낮은 온도로 인하여 성장률이 낮아지는 문제가 있다. 반대로, 성장온도가 550℃를 초과할 경우에는 과도한 성장 온도로 인하여 β 상이 생성될 수 있을 뿐만 아니라, 성장온도 증가로 인하여 공정 비용을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있다.Additionally, when the growth temperature is less than 400°C, there is a problem that the growth rate is lowered due to the low temperature. Conversely, if the growth temperature exceeds 550°C, not only may a β phase be generated due to excessive growth temperature, but it may also act as a factor in increasing process costs due to the increase in growth temperature.

이상으로, 본 발명의 실시예에 따른 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 제조 방법이 종료될 수 있다.With this, the method for manufacturing a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer according to an embodiment of the present invention can be completed.

지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 및 그 제조 방법은 에피 성장 전 사파이어 기판 상에 갈륨 금속을 선 증착으로 갈륨 금속 버퍼층을 형성함으로써 격자상수 차이에 의해 발생하는 스트레인을 감소시켜 550℃ 이하의 저온에서 카파 갈륨옥사이드를 성장시키는 것을 가능하게 하였다.As seen so far, the kappa gallium oxide thin film structure using the gallium metal buffer layer according to the embodiment of the present invention and the manufacturing method thereof are used to form a gallium metal buffer layer by line deposition of gallium metal on a sapphire substrate before epitaxial growth, thereby increasing the lattice constant. By reducing the strain caused by the difference, it was possible to grow kappa gallium oxide at low temperatures below 550°C.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 및 그 제조 방법은 에피 성장 전 갈륨 금속을 선 증착을 통하여 사파이어 기판 및 카파 갈륨옥사이드층과의 중간에서 스트레인 완충제 역할을 하는 갈륨 금속 버퍼층을 형성하는 것에 의해, 격자상수 차이에 의해 발생하는 과도한 스트레인을 미연에 감소시킬 수 있게 된다.As such, the kappa gallium oxide thin film structure using the gallium metal buffer layer according to an embodiment of the present invention and the manufacturing method thereof serve as a strain buffer in the middle between the sapphire substrate and the kappa gallium oxide layer through line deposition of gallium metal before epitaxial growth. By forming a gallium metal buffer layer, it is possible to reduce excessive strain caused by differences in lattice constants in advance.

이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 및 그 제조 방법은 갈륨 금속 버퍼층을 활용하여 c-면(c-plain) 사파이어 기판 상에 550℃ 이하의 저온에서 순수한 카파 갈륨옥사이드를 성장시킬 수 있으므로, 공정 비용 및 시간을 절감할 수 있게 된다.As a result, the kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer and its manufacturing method according to an embodiment of the present invention are manufactured at a low temperature of 550°C or lower on a c-plain sapphire substrate using a gallium metal buffer layer. Since pure kappa gallium oxide can be grown, process costs and time can be reduced.

실시예Example

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.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention and should not be construed as limiting the present invention in any way.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Any information not described here can be technically inferred by anyone skilled in the art, so description thereof will be omitted.

도 3은 HCl을 200sccm 및 300sccm의 공급 유량 조건으로 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 갈륨 금속 버퍼층을 형성시킨 상태를 촬영하여 나타낸 SEM 사진이고, 도 4는 HCl을 400sccm 및 700sccm의 공급 유량 조건으로 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 갈륨 금속 버퍼층을 형성시킨 상태를 촬영하여 나타낸 SEM 사진이다.Figure 3 is an SEM photograph showing the state in which a gallium metal buffer layer was formed by pre-depositing a gallium source by supplying HCl at a supply flow rate of 200 sccm and 300 sccm, and Figure 4 is an SEM photograph showing a state in which HCl was supplied at a supply flow rate of 400 sccm and 700 sccm. This is an SEM photo showing the state in which a gallium metal buffer layer was formed by pre-depositing a gallium source.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, c-면 사파이어 기판 상에 에피 성장 없이 HCl을 200sccm, 300sccm, 400sccm 및 700sccm의 공급 유량 조건으로 각각 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 갈륨 금속 버퍼층을 형성한 상태를 촬영한 SEM 사진을 나타내고 있다. 이때, HCl의 공급 유량이 증가할수록 갈륨 금속의 입자 사이즈가 증가하는 것을 확인할 수 있다.As shown in Figures 3 and 4, a gallium source was pre-deposited on a c-plane sapphire substrate by supplying HCl at supply flow conditions of 200 sccm, 300 sccm, 400 sccm, and 700 sccm without epi-growth to form a gallium metal buffer layer. The SEM photo taken of the condition is shown. At this time, it can be seen that the particle size of gallium metal increases as the supply flow rate of HCl increases.

도 5는 HCl을 200 ~ 700sccm의 공급 유량 조건으로 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 갈륨 금속 버퍼층의 갈륨 금속 입자 크기를 비교하여 나타낸 그래프이다. 이때, 도 5의 그래프에서 갈륨 금속 입자 크기는 도 3 및 도 4의 SEM 사진을 이용하여 측정하였다.Figure 5 is a graph showing a comparison of the sizes of gallium metal particles in a gallium metal buffer layer by pre-depositing a gallium source by supplying HCl at a supply flow rate of 200 to 700 sccm. At this time, the gallium metal particle size in the graph of FIG. 5 was measured using the SEM photographs of FIGS. 3 and 4.

도 5에 도시된 바와 같이, HCl의 공급 유량별 갈륨 금속의 입자 사이즈 측정 결과를 나타내고 있다.As shown in Figure 5, the particle size measurement results of gallium metal are shown for each HCl supply flow rate.

갈륨 금속 버퍼층의 갈륨 금속 입자 사이즈는 HCl의 공급 유량이 증가할수록 점진적으로 입자 사이즈가 증가하는 것을 볼 수 있다.It can be seen that the gallium metal particle size of the gallium metal buffer layer gradually increases as the supply flow rate of HCl increases.

도 6은 HCl을 200 ~ 700sccm의 공급 유량 조건으로 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 형성된 갈륨 금속 버퍼층을 활용하여 갈륨 옥사이드층을 형성시킨 상태를 나타낸 XRD 그래프이다.Figure 6 is an

도 6에 도시된 바와 같이, c-면 사파이어 기판 상에 HCl을 200 ~ 700sccm의 공급 유량 조건으로 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 형성된 갈륨 금속 버퍼층을 활용하여 500℃의 성장온도 조건에서 갈륨 옥사이드층을 형성하였을 시, HCl 공급 유량에 따라 순수한 알파 갈륨옥사이드와 순수한 카파 갈륨옥사이드가 성장하는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 6, a gallium metal buffer layer formed by pre-depositing a gallium source by supplying HCl at a supply flow rate of 200 to 700 sccm on a c-plane sapphire substrate was used to form a gallium oxide layer at a growth temperature of 500°C. When formed, it can be seen that pure alpha gallium oxide and pure kappa gallium oxide grow depending on the HCl supply flow rate.

이때, HCl 200sccm 및 300sccm의 공급 유량 조건으로 공급하여 선 증착된 갈륨 금속 버퍼층을 활용하여 500℃의 성장온도 조건에서 에피 성장할 시, 순수한 알파 갈륨 옥사이드가 성장되는 것을 확인할 수 있다.At this time, it can be confirmed that pure alpha gallium oxide is grown when epi-growing at a growth temperature of 500°C using a gallium metal buffer layer pre-deposited by supplying HCl at a supply flow rate of 200 sccm and 300 sccm.

반면, HCl 400sccm 및 700sccm의 공급 유량 조건으로 공급하여 선 증착된 갈륨 금속 버퍼층을 활용하여 500℃의 성장온도 조건에서 에피 성장할 시, 순수한 카파 갈륨 옥사이드가 성장되는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, it can be confirmed that pure kappa gallium oxide is grown when epi-growing at a growth temperature of 500°C using a gallium metal buffer layer pre-deposited by supplying HCl at a supply flow rate of 400 sccm and 700 sccm.

도 7은 HCl을 200sccm 및 300sccm의 공급 유량 조건으로 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 형성된 갈륨 금속 버퍼층을 활용하여 갈륨 옥사이드층을 성장시킨 과정을 나타낸 모식도이고, 도 8은 HCl을 400sccm 및 700sccm의 공급 유량 조건으로 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 형성된 갈륨 금속 버퍼층을 활용하여 갈륨 옥사이드층을 성장시킨 과정을 나타낸 모식도이다.Figure 7 is a schematic diagram showing the process of growing a gallium oxide layer using a gallium metal buffer layer formed by pre-depositing a gallium source by supplying HCl at supply flow conditions of 200 sccm and 300 sccm, and Figure 8 is a schematic diagram showing the process of growing a gallium oxide layer using HCl supplied at supply flow conditions of 400 sccm and 700 sccm. This is a schematic diagram showing the process of growing a gallium oxide layer using a gallium metal buffer layer formed by pre-depositing a gallium source by supplying it under flow conditions.

도 7에 도시된 바와 같이, HCl 200sccm 및 300sccm의 공급 유량 조건으로 공급할 시에는 선 증착된 갈륨 금속 버퍼층에 의한 스트레인 감소 효과가 미미하여 알파 갈륨옥사이드가 성장된다.As shown in FIG. 7, when HCl is supplied at a supply flow rate of 200 sccm and 300 sccm, the strain reduction effect by the pre-deposited gallium metal buffer layer is minimal, and alpha gallium oxide is grown.

반면, 도 8에 도시된 바와 같이, HCl 400sccm 및 700sccm의 공급 유량 조건으로 공급할 시에는 선 증착된 갈륨 금속 버퍼층에 의해 스트레인이 감소하여 카파 갈륨옥사이드가 성장된다.On the other hand, as shown in FIG. 8, when HCl is supplied at a supply flow rate of 400 sccm and 700 sccm, the strain is reduced by the pre-deposited gallium metal buffer layer and kappa gallium oxide is grown.

도 9 내지 도 12는 HCl을 200sccm, 300sccm, 400sccm 및 700sccm의 공급 유량 조건으로 각각 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 형성된 갈륨 금속 버퍼층을 활용하여 갈륨 옥사이드층을 성장시킨 상태를 촬영하여 나타낸 SEM 및 AFM 사진들이다.Figures 9 to 12 are SEM and AFM images showing the state in which a gallium oxide layer was grown using a gallium metal buffer layer formed by pre-depositing a gallium source by supplying HCl at supply flow conditions of 200 sccm, 300 sccm, 400 sccm, and 700 sccm, respectively. These are photos.

도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, HCl 200sccm 및 300sccm의 공급 유량 조건으로 공급하여 선 증착된 갈륨 금속 버퍼층을 활용하여 500℃의 성장온도 조건에서 에피 성장할 시, 21nm 및 33nn의 두께로 표면이 갈라짐 없이 매끄러운 것을 확인할 수 있다.As shown in Figures 9 and 10, when epi-growing under a growth temperature condition of 500°C using a gallium metal buffer layer pre-deposited by supplying HCl at a supply flow rate of 200 sccm and 300 sccm, the surface has a thickness of 21 nm and 33 nn. You can see that it is smooth without cracks.

반면, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 400sccm 및 700sccm의 공급 유량 조건으로 공급하여 선 증착된 갈륨 금속 버퍼층을 활용하여 500℃의 성장온도 조건에서 에피 성장할 시, 표면이 갈라지는 형태로 성장하는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, as shown in Figures 11 and 12, when epi-growing under a growth temperature condition of 500°C using a pre-deposited gallium metal buffer layer supplied at a supply flow rate of 400 sccm and 700 sccm, the surface grows in a cracked form. You can check that.

도 13은 HCl의 유량을 200 ~ 700sccm의 속도로 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 갈륨 금속 버퍼층을 형성시킨 후 갈륨 옥사이드층을 성장시킨 상태의 투과도 및 밴드갭 측정 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 13 is a graph showing the transmittance and band gap measurement results when a gallium metal buffer layer was formed by pre-depositing a gallium source by supplying HCl at a flow rate of 200 to 700 sccm and then a gallium oxide layer was grown.

도 13에 도시된 바와 같이, HCl의 유량을 200 ~ 700sccm의 속도로 공급하여 갈륨 소스를 선 증착하여 갈륨 금속 버퍼층을 형성시킨 후 500℃의 성장온도 조건에서 에피 성장하여 갈륨 옥사이드층을 형성한 상태의 투과도 및 밴드갭 측정 결과를 나타내고 있다.As shown in Figure 13, a gallium source is pre-deposited by supplying HCl at a flow rate of 200 to 700 sccm to form a gallium metal buffer layer, and then epi-grown at a growth temperature of 500°C to form a gallium oxide layer. It shows the transmittance and band gap measurement results.

이때, HCl 200sccm, 300sccm, 400sccm 및 700sccm의 공급 유량별 투과도를 측정하고 밴드갭을 계산하였을 시, 기존에 보고된 밴드갭과 비슷한 수준임을 확인할 수 있다.At this time, when the permeability of HCl was measured at each supply flow rate of 200 sccm, 300 sccm, 400 sccm, and 700 sccm and the band gap was calculated, it was confirmed that it was at a similar level to the previously reported band gap.

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.Although the above description focuses on the embodiments of the present invention, various changes or modifications can be made at the level of a person skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains. These changes and modifications can be said to belong to the present invention as long as they do not depart from the scope of the technical idea provided by the present invention. Therefore, the scope of rights of the present invention should be determined by the claims described below.

S110 : 사파이어 기판 준비 단계
S120 : 갈륨 금속 버퍼층 형성 단계
S130 : 카파 갈륨옥사이드층 형성 단계
100 : 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체
120 : 사파이어 기판
140 : 갈륨 금속 버퍼층
160 : 카파 갈륨옥사이드층
S110: Sapphire substrate preparation step
S120: Gallium metal buffer layer formation step
S130: Kappa gallium oxide layer formation step
100: Kappa gallium oxide thin film structure
120: Sapphire substrate
140: gallium metal buffer layer
160: Kappa gallium oxide layer

Claims (14)

사파이어 기판;
상기 사파이어 기판 상에 형성된 카파 갈륨옥사이드층; 및
상기 사파이어 기판과 카파 갈륨옥사이드층 사이에 배치된 갈륨 금속 버퍼층;을 포함하며,
상기 갈륨 금속 버퍼층은 사파이어 기판과 카파 갈륨옥사이드층 간의 중간에서 격자상수 차이를 감소시켜 스트레인 완충제로 작용하는 것을 특징으로 하는 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체.
sapphire substrate;
A kappa gallium oxide layer formed on the sapphire substrate; and
It includes a gallium metal buffer layer disposed between the sapphire substrate and the kappa gallium oxide layer,
A kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer, wherein the gallium metal buffer layer acts as a strain buffer by reducing the difference in lattice constant in the middle between the sapphire substrate and the kappa gallium oxide layer.
제1항에 있어서,
상기 사파이어 기판은
c-면, r-면, m-면 및 a-면 중 어느 하나의 사파이어 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체.
According to paragraph 1,
The sapphire substrate is
A kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer, characterized by using a sapphire substrate of any one of c-plane, r-plane, m-plane, and a-plane.
제1항에 있어서,
상기 갈륨 금속 버퍼층은
17 ~ 30nm의 평균 직경을 갖는 갈륨 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체.
According to paragraph 1,
The gallium metal buffer layer is
Kappa gallium oxide thin film structure utilizing a gallium metal buffer layer characterized by being made of gallium metal with an average diameter of 17 to 30 nm.
제3항에 있어서,
상기 갈륨 금속 버퍼층은
상기 갈륨 금속이 무작위로 분산되도록 증착되어 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체.
According to paragraph 3,
The gallium metal buffer layer is
A Kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer, characterized in that the gallium metal is deposited and stacked so that the gallium metal is randomly dispersed.
제1항에 있어서,
상기 카파 갈륨옥사이드층은
50nm ~ 10㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체.
According to paragraph 1,
The kappa gallium oxide layer is
Kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer characterized by a thickness of 50nm to 10㎛.
(a) 사파이어 기판을 준비하는 단계;
(b) 상기 사파이어 기판 상에 갈륨 소스를 선 증착하여 갈륨 금속 버퍼층을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 갈륨 금속 버퍼층을 씨드로 이용한 HVPE 성장법으로 에피 성장시켜 상기 갈륨 금속 버퍼층이 형성된 사파이어 기판 상에 카파 갈륨옥사이드층을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 (c) 단계에서, 상기 카파 갈륨옥사이드층은 불활성 가스 분위기에서 550℃ 이하의 성장온도 조건으로 성장시키는 것을 특징으로 하는 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 제조 방법.
(a) preparing a sapphire substrate;
(b) forming a gallium metal buffer layer by pre-depositing a gallium source on the sapphire substrate; and
(c) forming a kappa gallium oxide layer on the sapphire substrate on which the gallium metal buffer layer is formed by epi-growing using the HVPE growth method using the gallium metal buffer layer as a seed;
In step (c), the kappa gallium oxide layer is grown at a growth temperature of 550° C. or lower in an inert gas atmosphere. A method of manufacturing a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer.
제6항에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
상기 사파이어 기판은
c-면, r-면, m-면 및 a-면 중 어느 하나의 사파이어 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 제조 방법.
According to clause 6,
In step (a) above,
The sapphire substrate is
A method of manufacturing a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer, characterized by using a sapphire substrate of any one of c-plane, r-plane, m-plane, and a-plane.
제6항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 갈륨 소스의 선 증착시,
증착 가스로 HCl을 사용하며, 상기 HCl의 공급량은 갈륨 금속의 평균 직경이 17 ~ 30nm를 갖도록 제어하는 것을 특징으로 하는 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 제조 방법.
According to clause 6,
In step (b) above,
When pre-depositing the gallium source,
A method of manufacturing a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer, wherein HCl is used as a deposition gas, and the supply amount of the HCl is controlled so that the average diameter of the gallium metal is 17 to 30 nm.
제8항에 있어서,
상기 HCl은
400 ~ 700sccm의 공급 유량 조건으로 공급하는 것을 특징으로 하는 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 제조 방법.
According to clause 8,
The HCl is
A method of manufacturing a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer, characterized in that it is supplied at a supply flow rate of 400 to 700 sccm.
제8항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 갈륨 금속 버퍼층은
17 ~ 30nm의 평균 직경을 갖는 갈륨 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 제조 방법.
According to clause 8,
In step (b) above,
The gallium metal buffer layer is
A method of manufacturing a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer, characterized in that it is made of gallium metal with an average diameter of 17 to 30 nm.
제10항에 있어서,
상기 갈륨 금속 버퍼층은
상기 갈륨 금속이 무작위로 분산되도록 증착되어 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 제조 방법.
According to clause 10,
The gallium metal buffer layer is
A method of manufacturing a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer, characterized in that the gallium metal is deposited and stacked so that the gallium metal is randomly dispersed.
제6항에 있어서,
상기 갈륨 금속 버퍼층은
상기 사파이어 기판과 카파 갈륨옥사이드층 사이에서 스트레인을 완충시키는 것을 특징으로 하는 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 제조 방법.
According to clause 6,
The gallium metal buffer layer is
A method of manufacturing a Kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer, characterized in that it buffers strain between the sapphire substrate and the Kappa gallium oxide layer.
제6항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 에피 성장은 불활성 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 550℃의 성장온도 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 제조 방법.
According to clause 6,
In step (c) above,
The epi-growth is performed under conditions of a source temperature of 450 to 650°C and a growth temperature of 400 to 550°C while exposed to an inert gas atmosphere. A method of manufacturing a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer.
제6항에 있어서,
상기 카파 갈륨옥사이드층은
50nm ~ 10㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 갈륨 금속 버퍼층을 활용한 카파 갈륨옥사이드 박막 구조체 제조 방법.
According to clause 6,
The kappa gallium oxide layer is
A method of manufacturing a kappa gallium oxide thin film structure using a gallium metal buffer layer having a thickness of 50nm to 10㎛.
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