KR20210152310A - 산화갈륨/탄화규소 이종접합 다이오드 및 그 제작 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 RF(Radio Frequency) 스퍼터링(Sputtering) 방식을 이용하여 단자외선(Ultra violet light) 감지를 위한 산화갈륨/탄화규소 이종접합 다이오드를 제작하는 방법 및 그 이종접합 다이오드에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 다이오드 제작 방법은, 탄화규소(SiC) 기판을 준비하고, 탄화규소 기판 상에 산화갈륨(Ga2O3) 층을 형성하며, 산화갈륨 층의 열처리를 수행하고, 산화갈륨 층 상에 양극을 형성하고, 탄화규소 기판 아래에 음극을 형성한다.
Description
본 발명은 이종접합 다이오드에 관한 것으로, 특히 RF(Radio Frequency) 스퍼터링(Sputtering) 방식을 이용하여 단자외선(Ultra violet light) 감지를 위한 산화갈륨/탄화규소 이종접합 다이오드 및 그를 제작하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 단자외선(Ultra violet light) 감지 센서는 불꽃 감지, 화학/생물학적 분석, 미사일 추적 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 단자외선의 파장대는 200~280 nm의 영역으로 사람의 눈에 보이지 않는 영역의 파장을 가지고 있다.
최근 산화갈륨, 질화 알루미늄 등의 재료인 고 에너지갭(energy gap) 반도체를 사용한 센서가 연구되고 있다. 그 중, 산화갈륨은 높은 에너지갭(~4.8eV)을 가지는 산화물 반도체로써 단자외선 영역의 빛을 감지하기에 적합한 재료이다.
빛을 감지하는 반도체 구조로는 다이오드(Diode), 모스펫(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), 매스펫(MESFET: Metal Semiconductor Field Effect Transistor) 등이 있다. 다이오드의 경우 에너지 밴드갭에 상응하는 빛을 조사하게 되면 전자/정공 쌍이 생겨나면서 전류량이 증가한다. 이 전류량의 변화를 통해 빛을 감지할 수 있다.
다이오드에 주로 사용되는 구조로는 MSM(Metal-semiconductor-metal) 접합(Junction), 쇼트키 접합(Schottky Junction) 등이 있고, 이들을 사용하는 경우 많은 광전자와 빠른 응답속도를 가질 수 있지만, 누설전류가 큰 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, RF(Radio Frequency) 스퍼터링(Sputtering) 방식을 이용하여 단자외선(Ultra violet light) 감지를 위한 산화갈륨/탄화규소 이종접합 다이오드 및 그를 제작하는 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이종접합 다이오드 제작 방법은, 탄화규소(SiC) 기판을 준비하는 단계; 상기 탄화규소 기판 상에 산화갈륨(Ga2O3) 층을 형성하는 단계; 상기 산화갈륨 층의 열처리를 수행하는 단계; 및 상기 산화갈륨 층 상에 양극을 형성하고, 상기 탄화규소 기판 아래에 음극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 탄화규소 기판은, n형 반도체 탄화규소 기판을 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 탄화규소 기판은, 1×1019cm-3의 도핑 농도를 갖는 고도핑 기판; 및 상기 고도핑 기판 상에 형성된 5×1016 cm-3의 도핑 농도를 갖는 에피층을 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 산화갈륨 층을 형성하는 단계는, RF(Radio Frequency) 스퍼터링(Sputtering)을 이용하여 상기 탄화규소 기판 상에 상기 산화갈륨 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 RF 스퍼터링은, 110 내지 150 와트(W)의 파워, 30 내지 40 밀리토르(mTorr)의 압력, 3 내지 4.6 sccm(standard cubic centi meter)의 MFC(Mass Flow Controller) 농도, 및 90분의 증착 시간 조건하에서 수행될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 산화갈륨 층을 형성하는 단계는, 100 nm 내지 250 nm의 두께를 갖도록 상기 산화갈륨 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 열처리를 수행하는 단계는, 산소 분위기 또는 질소 분위기에서 열처리를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 열처리를 수행하는 단계는, 600 내지 850°C 온도범위에서 상기 열처리를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 양극 및 상기 음극은, 니켈(Nickel)을 포함하고, 전자빔 증착기(Electron Beam Evaporator, EBE)를 이용하여 형성될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 양극 및 상기 음극은, 120 내지 200 nm의 두께를 갖도록 형성할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 탄화규소 기판은, 6방정계 탄화규소(4H-SiC) 웨이퍼를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 산화갈륨/탄화규소 이종접합 다이오드는, 상기한 제작 방법 중 어느 하나에 의해 제작될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 탄화규소 기판 위에 산화갈륨을 증착시켜서 이종접합 형태의 다이오드를 형성함으로써 누설 전류량을 감소시킬 수 있고, 이에 따라서 산화갈륨 다이오드의 효율을 향상시킬 수 있다. 아울러, 단극성 소자와 비슷한 정도의 빠른 스위칭 속도를 갖는 이종접합 다이오드를 제작할 수 있고, 탄화규소 기판을 사용해서 낮은 열전도도를 갖는 산화갈륨의 물성을 보완할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 다이오드의 구성을 보이는 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션을 통해 추출한 산화갈륨 층(120)과 에피층(114) 계면의 에너지 밴드 구조도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 쇼트키 접합 다이오드의 구성을 보이는 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 다이오드에 대한 X-선 회절 스캔 결과를 보이는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광 투과 스펙트럼 및 에너지 관계도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 샘플들의 XPS 스펙트럼을 보이는 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 다이오드에 적용된 역전압 바이어스의 함수로서 1/C2의 그래프를 보이는 예시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 산화갈륨/탄화규소 n-n 다이오드의 일반적인 I-V 특성을 로그 및 선형 스케일로 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열 활성화 에너지를 보이는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션을 통해 추출한 산화갈륨 층(120)과 에피층(114) 계면의 에너지 밴드 구조도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 쇼트키 접합 다이오드의 구성을 보이는 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 다이오드에 대한 X-선 회절 스캔 결과를 보이는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광 투과 스펙트럼 및 에너지 관계도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 샘플들의 XPS 스펙트럼을 보이는 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 다이오드에 적용된 역전압 바이어스의 함수로서 1/C2의 그래프를 보이는 예시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 산화갈륨/탄화규소 n-n 다이오드의 일반적인 I-V 특성을 로그 및 선형 스케일로 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열 활성화 에너지를 보이는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 다이오드의 구성을 보이는 예시도이다.
광대역 밴드갭(Wide bandgap) 소재는 실리콘 대비 고주파, 고전력 고온용 반도체 소자에 대한 적용이 가능한 우수한 소재이다. 그중, 산화갈륨(gallium oxide, GA2O3)은 산화물 반도체로 큰 밴드갭(4.6~4.9 eV)을 갖고 그로 인해서 높은 임계전압(~8 MV/cm)을 가지며, 독특하게 가시광선 및 자외선 광이 투과할 수 있다. 또한, 산화갈륨은 Deep UV Light (~250 nm)을 감지하는 재료로 각광받고 있으며 열/화학적 안정성을 갖는다.
산화갈륨의 경우 성장 조건에 따라 α, 
, γ, 
그리고 ε-phase로 총 다섯 가지의 상(phase)이 존재한다. 이 중 
-GA2O3는 단사정계(monoclinic) 구조로서 화학/열역학적으로 가장 안정된 형태로 존재한다. 또한, HVPE(Hydride vapour phase epitaxy), MBE(Molecular beam epitaxy), RF(Radio Frequency) 스퍼터링(sputtering) 등 여러 공법을 통해 성장 가능하다. 산화갈륨의 여러 상들은 저온 열처리를 통해 얻을 수 있으며, 고온 열처리를 통해서는 가장 안정적인 
-phase로 쉽게 변환할 수 있다. 또한, 도핑을 하지 않은 자연적 도핑 농도가 1×1015 ~ 1×1018 cm-3이고 n-type 반도체의 특성을 가질 수 있다. 주석(Sn), 규소(Si) 또는 게르마늄(Ge)에 의한 도핑에 따라 자유 이동 전자 농도를 조절할 수 있다.
그러나, 산화갈륨을 상용화하기에는 아직 많은 연구가 필요하다. 산화갈륨은 실리콘(~1.5 W/cm
℃) 대비 낮은 열전도율(~0.5 W/cm
℃)을 가지고 p-type 도핑 공정의 어려움이 있다. 그러므로, 높은 열전도도의 산화갈륨 박막과 낮은 격자 불일치를 가지는 다른 반도체 소재가 필요하다.
열적(Thermal) 어닐링(Annealing)을 통한 재결정화(Recrystallization)는 산소 관련 전하 트랩을 감소시키는데 도움이 되고, 일반적으로 산화갈륨의 품질을 향상시키는 효과적인 방법이다. 따라서, 산화갈륨을 위한 어닐링 공정을 조사하는 것을 유망한 연구 방향이다. 유리 또는 사파이어 기판상의 다결정 산화갈륨 필름이 고온의 어닐링을 통해 비정질 상(amorphous phase)에서 전환될 수 있다. 6방정계 탄화규소(4H-SiC; ~ 3.26eV의 밴드갭)는 산화갈륨 층을 성장시키는 기판으로 사용될 수 있다. 6방정계 탄화규소(a, b = 3.10
및 c = 10.12
)는 산화갈륨(a = 12.33
, b = 3.04
및 c = 5.80
)과 2% 이내의 낮은 격자 불일치도를 가질 수 있다. 또한, 질화갈륨(~ 1.3 W/cm
℃) 및 산화갈륨(0.5 W/cm
℃)과 같은 다른 광대역 밴드갭 재료보다 높은 열전도율(~ 4.5 W/cm
℃)을 보여 고출력 응용 분야에 적합한 기판으로 이용될 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 이종접합 다이오드(100)는, 탄화규소 기판(110), 산화갈륨 층(120), 양극(130) 및 음극(140)을 포함할 수 있다.
탄화규소 기판(110)은, 고도핑 기판(112) 및 에피층(114)을 포함할 수 있다.
고도핑 기판(112)는, 예를 들어, 1×1019 cm-3의 도핑 농도를 갖는 6방정계 탄화규소(4H-SiC) 웨이퍼를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
에피층(114)은, 고도핑 기판(112) 상에 형성되고 5×1016 cm-3의 도핑 농도를 가질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에 따르면, 황산(H2SO4)와 과산화수소(H2O2)를 4：1로 혼합한 SPM 용액을 통해 탄화규소 기판(110)을 클리닝하고, 버퍼드 옥사이드 에칭(BOE: buffered oxide etching) 용액을 사용하여 네이티브(native) 이산화규소(SiO2)를 제거할 수 있다.
탄화규소 기판(110) 아래에는 음극(Cathode, 140) 형성을 위해 전자빔 증착기(Electron Beam Evaporator)를 사용하여 120 nm 두께의 니켈(nickel)을 증착 할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 음극(140) 형성에는 전자빔 증착기를 이용한 디포지션(deposition) 방식을 이용할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
급속 열처리 방식(예를 들어, RTA: Rapid Thermal Annealing)을 사용하여, 950℃ 질소 분위기에서 10분간 열처리를 통해 탄화규소 기판(110) 및 산화갈륨 층(120) 간의 오믹 접합(ohmic contact)을 형성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, RF 스퍼터링(Sputtering)을 이용하여 산화갈륨 층(120)을 탄화규소 기판(110)의 에피층(114) 위에 증착시킬 수 있다. 예를 들어, RF 스퍼터링 시의 파워는 110 내지 150 W(와트) 바람직하게는 130 W이고, 2인치의 산화갈륨 타겟, 아르곤(Ar) 가스가 MFC(Mass Flow Controller)로서 3 내지 4.6 sccm 바람직하게는 4 sccm이 주입되며, 챔버 기압은 30 내지 40 밀리토르(mTorr) 바람직하게는 35mTorr이고, 증착 시간은 90분으로 진행하며, 산화갈륨 층(120)의 두께는 100 nm 내지 250 nm 바람직하게는 120 nm 두께로 산화갈륨 박막을 증착시킬 수 있다. 또한, RF 스퍼터링 시 99.99% 순도의 산화갈륨 타겟을 사용할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
탄화규소 기판(110) 위에 증착된 산화갈륨 층(120)을 산소 분위기에서 40분 동안 600 내지 850℃ 온도범위 바람직하게는 800℃로 열처리를 하고, 이후 양극(Anode, 130)으로는 전자빔 증착기를 사용하여 150 nm 두께의 니켈을 증착시킬 수 있다. 예를 들어, 600℃ 미만에서 열처리하는 경우 열에 따른 산화갈륨 층(120)의 재결정화가 잘 이루어지지 않을 수 있고, 850℃ 초과의 온도에서 열처리하는 경우 산화갈륨 층(120)이 열에 의해 결정 파괴가 일어날 가능성이 높아질 수 있다.
이종접합 다이오드(100)는, 탄화규소 위에 산화갈륨 층(120, 박막)이 증착되어 있는 구조이다. 산화갈륨 층(120) 위의 전극인 양극(130)에 역전압을 가하게 되면 이종접합 다이오드(100)의 특성에 따라 누설전류가 흐르게 된다.
누설전류가 흐를 때, 특정 파장대의 빛을 이종접합 다이오드(100)에 조사하게 되면 산화갈륨 층(120)으로부터 전자/정공 쌍이 발생하고, 도 2의 에너지 밴드 구조를 보면 알 수 있듯이, 두 재료간의 접합에서 가전자대의 장벽 높이가 크기 때문에 정공이 누설전류량에 주는 영향은 적다. 하지만, 이종접합에서의 전도대 장벽 높이는 높지 않아서 발생된 전자가 탄화규소 기판(110)의 전도대로 이동하기는 쉽다. 이종접합 다이오드(100)에 흐르는 광전류는 조사된 빛에 의해 생성된 전자/정공의 양에 비례할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션을 통해 추출한 산화갈륨 층(120)과 에피층(114) 계면의 에너지 밴드 구조도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 산화갈륨 층(120)의 도핑농도를 5Х1015 cm-3로 가정하면, 두 재료(탄화규소 및 산화갈륨)의 이종접합을 통해 가전자대와 전도대의 오프셋(offset)은 2.11 eV과 0.55 eV로 형성될 수 있다. 양극(130)에 순방향 전압이 인가될 때, 탄화규소 기판(110)의 에피층(114)에 존재하는 전자들이 산화갈륨 층(120)으로 넘어가기 쉽다. 하지만 역방향 전압의 경우, 0.55 eV의 장벽높이에 의해 산화갈륨 층(120)에 존재하는 전자들이 에피층(114)으로 이동하기 어렵게 된다. 따라서 순방향 전압이 인가될 때의 전류가 역방향 전압이 인가될 때의 전류보다 크게 된다.
재료적 성질 분석에서, 산소 후열 처리 유무에 따른 산화갈륨의 밴드갭 변화를 확인하기 위해 파장별 투과도를 측정할 수 있다. 또한, 전압에 따른 캐패시턴스(capacitance)를 측정하여 공식을 통해 도핑 농도를 추출하여 비교할 수 있다. 전기적 성질을 분석하기 위해 전류-전압을 측정하고, 온도에 따른 전류량 변화를 확인하며, 다이오드의 이상 계수를 추출하여 비교할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 쇼트키 접합 다이오드의 구성을 보이는 예시도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 단일 산화갈륨 기판(310)을 이용하여 쇼트키 접합 다이오드(Schottky Junction Diode, 300)를 구성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 쇼트키 접합 다이오드(300)는, 산화갈륨 기판(310), 양극(320) 및 음극(330)을 포함할 수 있다.
산화갈륨 기판(310)과 금속(양극(320) 및 음극(330))과의 접합인 쇼트키 접합 다이오드(300)는, 역방향 전압이 인가되는 상황에서 누설전류가 커질 수 있다. 쇼트키 접합 다이오드(300)에 빛이 조사되었을 때의 광전류와 누설전류의 크기가 클수록 쇼트키 접합 다이오드(300)는 감지 능력이 좋고, 누설전류의 크기가 작을수록 쇼트키 접합 다이오드(300)의 효율이 높아질 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 다이오드에 대한 X-선 회절 스캔 결과를 보이는 예시도이다.
탄화규소 기판(110) 상에 증착된 산화갈륨 층(120)의 결정도에 대한 상이한 어닐링 분위기의 영향을 비교하기 위해, 산소(O2) 및 질소(N2) 어닐링 된 샘플(예를 들어, 이종접합 다이오드(100))에 대해 X-선 회절(XRD) θ-2θ 스캔을 수행할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 모든 샘플 세트는 GSAS(General Structure Analysis System)를 사용하여 Rietveld 정제(refinement)로부터 단사정계 구조를 갖는 다결정 산화갈륨에 대응하는 반사를 나타낼 수 있다. 제작된 모든 샘플들은 (-201), (-401) 및 (002)면에 해당하는 
-GA2O3 회절 피크를 제공할 수 있다. 제작된 모든 샘플들의 결정 구조는 안정적으로 유지될 수 있다. 제작된 샘플들에 대한 어닐링 후에 피크 강도가 더욱 향상되었다. 특히, (-201) 및 (-401)면에 해당하는 피크 강도는 질소 어닐링 후에 크게 증가했다. 갈륨 및 산소 원자는 고온 어닐링 하에서 이동하여 산화갈륨의 결정도를 향상시키는데 도움이 될 수 있다. 또한, 산소 결함과 관련된 댕글링 본드(dangling bond) 입자 경계는 갈륨 또는 산소 격자 부위에 질소 원자를 통합함으로써 질소 어닐링에 의해 부동태화(passivate) 될 수 있다. 결과적으로, 질소가 산화갈륨의 결정 품질을 향상시키는 것으로 나타나기 때문에 질소 어닐링된 샘플의 회절 피크 강도는 다른 샘플의 회절 피크 강도보다 높을 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광 투과 스펙트럼 및 에너지 관계도이다.
도 5 (a)는 200~400 nm 사이의 파장에 대한 샘플의 광 투과 스펙트럼을 보이는 예시도이다. 모든 샘플은 300 nm보다 긴 파장에서 높은 투과율 (~ 80 % 이상)을 나타낼 수 있다. 산화갈륨 결정의 산소 농도는 충전 상태에 영향을 미치며, 이로 인해 밴드갭 및 결과적으로 투과율과 같은 전기적 매개 변수에 영향을 미칠 수 있다.
광학 밴드갭은 (αhν)2 = 0에 대해, 도 5 (b)에 도시된 그래프의 선형 부분으로부터 추출되며, 여기서 hν는 광자 에너지이고, α는 흡수 계수를 나타낼 수 있다. α= ln(100/T)/d로 산출될 수 있고, 여기서 T와 d는 산화갈륨 층(120)의 투과율 및 두께 (예를 들어, 120 nm)를 나타낼 수 있다. 성장한 그대로(as-grown)의 샘플의 경우, 산화갈륨 층(120)의 밴드갭은 ~ 5.01 eV 일 수 있다. 산소 및 질소 분위기하에서 어닐링된 샘플들의 밴드갭은 각각 ~ 4.91 및 ~ 4.89 eV일 수 있다. 질소 어닐링된 샘플의 밴드갭은 
-GA2O3에 대해 ~ 4.9 eV의 일반적으로 보고된 밴드갭 값에 가까울 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 샘플들의 산소(O) 1s 피크의 XPS 스펙트럼을 보이는 예시도이다. 피크들은 284.6 eV에서 탄소(C) 1s를 사용하여 교정되었고, 여기서 산소 1s 피크는 산화갈륨(GA2O3) 및 GaOx 상(phase) 각각에 상응하는 2개의 가우스 피크를 이용하여 피팅되었다. 산소 및 질소 분위기에서의 어닐링 후, GaOx 상의 피크 강도는 감소하는 반면 산화갈륨 상의 피크 강도는 증가한다. 산화갈륨 피크는 산소 결손과 관련이 있을 수 있다. GaOx 상에 해당하는 피크 강도의 크기는 성장한 그대로(as-grown)의 샘플의 경우 37.5%에서 20.3%로 감소하였고, 산소 및 질소 어닐링된 샘플의 경우 37.5%에서 13.6%로 감소하였다. 이는 산소 결손 및 산소 부위와 같은 결함수의 감소를 나타내는 것으로 간주될 수 있다. 샘플에서 산소 대 갈륨의 원자비는 성장한 그대로(as-grown), 산소 어닐링된 산화갈륨, 및 질소 어닐링된 산화갈륨 각각에 대해 1.40, 1.43 및 1.42이다. 이들 상이한 화학량론적 비는 어닐링 가스에서 증가된 산소 농도가 산화갈륨 층(120)에서 산소 원자의 수를 다소 증가시킬 수 있음을 나타낼 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 다이오드에 적용된 역전압 바이어스의 함수로서 1/C2의 그래프를 보이는 예시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 산화갈륨/탄화규소 다이오드에 적용된 역전압 바이어스의 함수로서 1/C2의 그래프를 나타낼 수 있다. 빌트인(built-in) 전압(Vbi) 및 도핑 농도는 전압에 대한 1/C2의 외삽 그래프에서 추출할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 빌트인 전압은 피팅된 그래프의 V축 절편에서 계산될 수 있다. 도핑 농도는 수학식 1을 사용하여 1/C2-V의 기울기에서 도출될 수 있다.
추출된 Vbi는, 성장한 그대로(as-grown), 산소 어닐링된, 및 질소 어닐링된 경우 각각 0.47, 0.86 및 1.01 V이고, 산화갈륨 층(120)의 도핑 농도는, 9.59× 1015, 1.62×1016 및 2.01×1016 cm-3일 수 있다. 산소 관련 트랩의 감소로 인해 어닐링 후 빌트인 전압 및 도핑 농도 값이 증가할 수 있다. 빌트인 전압의 증가는 도펀트(dopant) 농도의 변화 및 산화갈륨의 계면 상태의 농도에 기인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 산화갈륨/탄화규소 n-n 다이오드의 일반적인 I-V 특성을 로그 및 선형 스케일로 나타낸 예시도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 성장한 그대로(as-grown)의 다이오드는 누설 전류가 높고(~ 1.60×10-5 A), 정류비(~ 3.0×103)가 정방향 바이어스는 예를 들어, 3V 및 역방향 바이어스는 예를 들어, -3V가 측정된다. 산소 및 질소 어닐링된 다이오드에서는 정류 동작이 개선될 수 있다. 다른 샘플들에서는 약 8.1×10-11 A의 유사한 누설 전류 값을 나타낼 수 있다. 질소 어닐링된 다이오드는 순방향 전압이 적용될 때 ~ 5.0×107의 정류비로 높은 온(On) 전류를 나타낼 수 있는데, 이는 어닐링 후 감소된 산소 트랩 농도와 관련될 수 있다. 다이오드의 임계 전압은 성장한 그대로(as-grown), 산소 어닐링된, 및 질소 어닐링된 샘플 각각에 대해 ~ 1.55, ~ 1.47 및 ~ 1.27 V 일 수 있다. 실온에서의 이상 계수는 수학식 2로부터 산출될 수 있다.
수학식 2에서 I와 V는 각각 순방향 전류와 전압을 나타내고, I0는 포화 전류, kB는 볼츠만 상수, T는 절대 온도, η은 이상 계수를 나타낼 수 있다. 어닐링 공정 후에 이상 계수가 상당히 감소되는데, 질소 어닐링된 다이오드의 이상 계수는 2.8이고, 이는 산소 어닐링된 다이오드의 절반값에 해당한다. 낮은 이상 계수와 높은 빌트인 전압을 갖는 질소 어닐링된 다이오드는 개선된 결정도 및 계면 특성에 기인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열 활성화 에너지를 보이는 그래프이다.
도 9에 도시된 바와 간이, 열 활성화 에너지(EA)는 ln (IO) -1 / kT 플롯에서 얻을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 그래프는 온도 단계 25K로 298~523K의 온도 범위에서 플롯 되었다. 여기서 IO는 -3V에서의 역 포화 전류이고, T는 절대 온도, k는 볼츠만 상수로서 각각 일정할 수 있다. 실험 측정에서 추출된 활성화 에너지는 금속(양극(130))-산화갈륨 층(120) 계면의 트랩 상태 및 장벽 높이와 관련이 있다. 낮은 활성화 에너지 값은 계면에서 높은 트랩 상태를 나타내며, 이는 장벽을 가로 질러 트랩 보조 터널링 또는 열전자 방출 확률을 증가시킨다. 어닐링 후에 추출된 장치의 활성화 에너지가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 질소 어닐링된 샘플의 활성화 에너지(예를 들어, 0.504 eV)는 성장한 그대로(as-grown)의 샘플의 2 배이다. 질소 어닐링된 다이오드의 개선된 정류비는 또한 활성화 에너지의 증가에 기인할 수 있다.
본 발명에서는 서로 다른 가스 분위기(예를 들어, 산소 및 질소)에서 어닐링된 다결정 
-GA2O3/4H-SiC 이종접합 다이오드를 제작할 수 있다. 소자의 특성에 미치는 다양한 어닐링 가스의 영향을 이해하기 위해 다이오드의 재료 및 전기적 특성을 조사할 수 있다. 
-GA2O3 {(-201), (-402) 및 (002)}의 다른 면에 해당하는 X-선 회절 피크는 유의미하게 증가하는 반면, 밴드갭은 어닐링 후 ~ 4.9 eV로 다소 감소한 것으로 나타난다.
GaOx 피크 세기의 어닐링 후 감소는 산소 공공의 수의 감소를 나타낸다. 전기적 특성과 관련하여 누설 전류는 어닐링 후 거의 1000 배 감소한다. 질소 어닐링된 샘플은 성장한 그대로(as-grown)의 샘플 및 산소 어닐링된 샘플보다 높은 정류비 및 빌트인 전압, 감소된 임계 전압, 낮은 이상 계수, 및 높은 활성화 에너지를 나타낼 수 있다. 따라서, 고온에서 질소 어닐링된 다이오드의 성능이 높은 활성화로 인해 더 안정적이 될 수 있다.
이상 다양한 실시예들에 의해 본 발명의 기술적 사상이 설명되었지만, 본 발명의 기술적 사상은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 범위에서 이루어질 수 있는 다양한 치환, 변형 및 변경을 포함한다. 또한, 그러한 치환, 변형 및 변경은 첨부된 청구범위 내에 포함될 수 있는 것으로 생각되어야 한다.
100: 이종접합 다이오드
110: 탄화규소 기판
120: 산화갈륨 층 130: 양극
140: 음극 112: 고도핑 기판
114: 에피층 300: 쇼트키 접합
310: 산화갈륨 층 320: 양극
330: 음극
120: 산화갈륨 층 130: 양극
140: 음극 112: 고도핑 기판
114: 에피층 300: 쇼트키 접합
310: 산화갈륨 층 320: 양극
330: 음극
Claims (12)
- 이종접합 다이오드 제작 방법으로서,
탄화규소(SiC) 기판을 준비하는 단계;
상기 탄화규소 기판 상에 산화갈륨(Ga2O3) 층을 형성하는 단계;
상기 산화갈륨 층의 열처리를 수행하는 단계; 및
상기 산화갈륨 층 상에 양극을 형성하고, 상기 탄화규소 기판 아래에 음극을 형성하는 단계를 포함하는,
이종접합 다이오드 제작 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 탄화규소 기판은,
n형 반도체 탄화규소 기판을 포함하는,
이종접합 다이오드 제작 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 탄화규소 기판은,
1×1019cm-3의 도핑 농도를 갖는 고도핑 기판; 및
상기 고도핑 기판 상에 형성된 5×1016 cm-3의 도핑 농도를 갖는 에피층을 포함하는,
이종접합 다이오드 제작 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 산화갈륨 층을 형성하는 단계는,
RF(Radio Frequency) 스퍼터링(Sputtering)을 이용하여 상기 탄화규소 기판 상에 상기 산화갈륨 층을 형성하는 단계를 포함하는,
이종접합 다이오드 제작 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 RF 스퍼터링은,
110 내지 150 와트(W)의 파워, 30 내지 40 밀리토르(mTorr)의 압력, 3 내지 4.6 sccm(standard cubic centi meter)의 MFC(Mass Flow Controller) 농도, 및 90분의 증착 시간 조건하에서 수행되는,
이종접합 다이오드 제작 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 산화갈륨 층을 형성하는 단계는,
100 nm 내지 250 nm의 두께를 갖도록 상기 산화갈륨 층을 형성하는 단계를 포함하는,
이종접합 다이오드 제작 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 열처리를 수행하는 단계는,
산소 분위기 또는 질소 분위기에서 열처리를 수행하는 단계를 포함하는,
이종접합 다이오드 제작 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 열처리를 수행하는 단계는,
600 내지 850°C 온도범위에서 상기 열처리를 수행하는 단계를 포함하는,
이종접합 다이오드 제작 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 양극 및 상기 음극은,
니켈(Nickel)을 포함하고, 전자빔 증착기(Electron Beam Evaporator, EBE)를 이용하여 형성되는,
이종접합 다이오드 제작 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 양극 및 상기 음극은,
120 내지 200 nm의 두께를 갖도록 형성하는,
이종접합 다이오드 제작 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 탄화규소 기판은,
6방정계 탄화규소(4H-SiC) 웨이퍼를 포함하는,
이종접합 다이오드 제작 방법. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 제작 방법에 의해 제작된 산화갈륨/탄화규소 이종접합 다이오드.
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2020
- 2020-06-08 KR KR1020200069245A patent/KR102348439B1/ko active IP Right Grant
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Also Published As
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| KR102348439B1 (ko) | 2022-01-10 |
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