KR20240060525A - 산화갈륨 박막 구조물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 포토다이오드 - Google Patents

산화갈륨 박막 구조물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 포토다이오드 Download PDF

Info

Publication number
KR20240060525A
KR20240060525A KR1020240045577A KR20240045577A KR20240060525A KR 20240060525 A KR20240060525 A KR 20240060525A KR 1020240045577 A KR1020240045577 A KR 1020240045577A KR 20240045577 A KR20240045577 A KR 20240045577A KR 20240060525 A KR20240060525 A KR 20240060525A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thin film
gallium oxide
nickel
substrate
oxide thin
Prior art date
Application number
KR1020240045577A
Other languages
English (en)
Inventor
배시영
정성민
신윤지
Original Assignee
한국세라믹기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국세라믹기술원 filed Critical 한국세라믹기술원
Priority to KR1020240045577A priority Critical patent/KR20240060525A/ko
Publication of KR20240060525A publication Critical patent/KR20240060525A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02565—Oxide semiconducting materials not being Group 12/16 materials, e.g. ternary compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02631—Physical deposition at reduced pressure, e.g. MBE, sputtering, evaporation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

본 발명은 결정성 및 전기적 특성이 향상된 산화갈륨 박막 구조물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 포토다이오드에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면 산화갈륨 박막 구조물은 기판; 상기 기판 상에 부분적으로 증착된 니켈 나노구조물; 및 상기 기판과 상기 니켈 나노구조물 상에 증착된 산화갈륨 박막을 포함하도록 구성된다.

Description

산화갈륨 박막 구조물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 포토다이오드{Gallium oxide thin film structure, manufacturing method thereof and photodiode comprising the same}
본 발명은 산화갈륨 박막 구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 결정성 및 전기적 특성이 향상된 산화갈륨 박막 구조물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 포토다이오드에 관한 것이다.
전력 반도체용 반도체 소재는 고전압과 고온 조건에서도 안정적으로 작동하며 빠른 충전 특성, 효율적인 에너지 절약 특성, 작은 크기와 무게를 가질 것이 요구된다.
1세대 반도체 소재인 실리콘(Si), 2세대 반도체 소재인 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 그리고 3세대 반도체 소재로서 질화갈륨(GaN), 실리콘 카바이드(SiC)가 대표적이며, 현재 4세대 반도체 소재로서 다이아몬드, 산화갈륨(Ga2O3), 질화알루미늄(AlN)으로 대표되는 초광대역(UWBG-Ultra Wide Band Gap) 반도체 소재들이 등장하였다. 이들은 밴드 갭(Band Gap)이 4eV를 초과하는 특성이 있다.
밴드 갭이란 전도대(conduction band)의 가장 낮은 에너지 준위와 가전자대(valence band)의 가장 높은 에너지 준위 간의 에너지 차로, 밴드 갭이 클수록 높은 주파수, 전압, 온도에서 낮은 전력 손실로 작동 가능하다는 장점이 있다.
4세대 반도체 소재로 가장 널리 알려진 산화갈륨(Ga2O3)은 높은 밴드 갭을 가져 주목받고 있다. 산화갈륨은 알파(α), 베타(β), 감마(γ), 델타(δ) 그리고 엡실론(ε) 총 5가지의 상으로 존재한다.
베타-산화갈륨의 경우 열역학적으로 가장 안정한 상이며, 약 4.5 eV의 밴드갭을 갖는다. 베타-산화갈륨은 한국특허 출원 10-2022-015162에 개시된 바와 같이, 산화갈륨 분말을 용융하여 EFG 법을 사용하여 단결정을 성장시키는 방법으로 제조될 수 있다.
한편, 알파-산화갈륨은 베타-산화갈륨에 비해 가장 넓은 5.3eV의 밴드 갭을 가지며, 항복 전압과 전자 이동도 또한 가장 높아 전력 스위칭 소자에 매우 유리한 특성을 갖는다. 그러나 열역학적으로 준안정성에 해당하며, 헤테로 에피성장시 격자불일치로 인하여 혼합상을 발생시키고 전위가 발생하여 박막의 품질이 떨어지는 단점이 있다.
따라서 측면성장모드(Lateral overgrowth)를 활용하거나, 조성 버퍼층을 삽입하는 등 알파-산화갈륨 박막의 결정성을 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
대한민국 출원특허 제10-2022-0151628 호 대한민국 출원특허 제10-2020-0164749 호
본 발명의 일 실시예는 결정성 및 전기적 특성이 향상된 산화갈륨 박막 구조물을 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 다른 일 실시예는 상기 산화갈륨 박막 구조물의 제조방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는 상기 산화갈륨 박막 구조물을 포함하는 포토다이오드를 제공하는 것에 목적이 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따르면 산화갈륨 박막 구조물은 기판; 상기 기판 상에 부분적으로 증착된 니켈 나노구조물; 및 상기 기판과 상기 니켈 나노구조물 상에 증착된 산화갈륨 박막을 포함하도록 구성된다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 산화갈륨 박막은 서로 상이한 두가지 이상의 상을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 산화갈륨 박막 구조물은 상기 니켈 나노구조물 상에는 엡실론-산화갈륨이 형성되고, 상기 니켈 나노구조물이 증착되지 않은 기판 상에는 알파-산화갈륨이 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 기판은 사파이어 기판, 질화갈륨 기판, 실리콘 기판, 탄화규소 기판 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 산화갈륨 박막은 화학기상증착법(CVD), 미스트 화학기상증착법(mist-CVD), 스핀 코팅(Spin coating) 또는 스퍼터링(Sputtering)으로 증착된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 니켈 나노구조물은 산화니켈 쉘 내부에 니켈이 존재하는 형태일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 니켈 나노구조물의 두께는 1 내지 10 nm일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 산화갈륨 박막 구조물의 제조방법은 (a) 기판에 니켈 박막을 증착하는 단계; (b) 상기 니켈 박막이 증착된 기판을 급속 열처리하여 니켈 나노구조물을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 기판과 상기 니켈 나노구조물 상에 산화갈륨 박막을 증착하는 단계를 포함하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 기판은 사파이어 기판, 질화갈륨 기판, 실리콘 기판, 탄화규소 기판 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 (b) 단계에서 상기 급속 열처리는 진공 분위기에서 700 내지 1000℃의 온도범위로 10분 이내로 이루어지는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 니켈 나노구조물은 산화니켈 쉘 내부에 니켈이 존재하는 형태일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 (c) 단계는 화학기상증착법(CVD), 미스트 화학기상증착법(mist-CVD), 스핀 코팅(Spin coating) 또는 스퍼터링(Sputtering)으로 이루어지는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 (c) 단계에서 증착된 상기 산화갈륨 박막은 서로 상이한 두가지 이상의 상을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 (c) 단계에서 상기 니켈 나노구조물 상에는 엡실론-산화갈륨이 형성되고, 상기 니켈 나노구조물이 증착되지 않은 기판 상에는 알파-산화갈륨이 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 포토다이오드는 본 발명의 어느 한 측면에 따른 산화갈륨 박막 구조물을 포함하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 포토다이오드의 광전류 측정시 τd1은 0.26 내지 0.34s일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 포토다이오드의 광전류 측정시 τd2는 4.13 내지 5.01s 일 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화갈륨 박막 구조물은 알파-산화갈륨 박막이 형성되어 넓은 밴드 갭을 가지면서도 결정성 및 전기적 특성이 향상된 이점이 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화갈륨 박막 구조물의 제조방법은 저가이면서도 간단한 공정으로 위와 같이 품질이 우수한 박막 구조물을 제조할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드는 포토전류가 높고 동작속도가 빨라 다양한 분야로 적용될 수 있는 이점이 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화갈륨 박막 구조체의 제조방법을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화갈륨 박막 구조체의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미스트 화학기상증착법(mist-CVD)을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 나노구조물과 산화갈륨 박막 구조체의 급속 열처리 온도 별 표면 변화를 확인할 수 있는 SEM 분석 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화갈륨 박막 구조체의 TEM 촬영 결과이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화갈륨 박막 구조체의 EDS 측정 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드의 포토전압에 따른 전류 및 포토전류 측정 결과이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 산화갈륨 박막 구조물은 기판; 상기 기판 상에 부분적으로 증착된 니켈 나노구조물; 및 상기 기판과 상기 니켈 나노구조물 상에 증착된 산화갈륨 박막을 포함하도록 구성된다.
상기 니켈 나노구조물은 기판 상에 부분적으로 증착되어 다수의 아일랜드 형태로 존재하며, 니켈이 자연적으로 순수 금속 상태로 있기 어려우므로 표면이 산화되어 산화니켈 쉘 내부에 니켈이 존재하는 형태일 수 있다.
상기 산화갈륨 박막은 상기 기판과 상기 니켈 나노구조물 상에 증착된다. 보다 구체적으로, 산화갈륨 박막은 상기 니켈 나노구조물과, 니켈 나노구조물이 형성되지 않은 기판 부분을 모두 커버하도록 증착된다. 따라서, 산화갈륨 박막은 내부에 니켈 나노구조물을 부분적으로 포함하는 형태로 존재하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화갈륨 박막 구조체는 상기와 같이 산화갈륨 박막 내부에 니켈 나노구조물을 포함함으로써, 산화니켈의 p-타입 특성으로 인해 누설전류를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 2를 참조하여 설명하면, 상기 산화갈륨 박막 구조물(200)은 상기 기판(100) 및 상기 니켈 나노구조물(102) 상에 서로 상이한 두가지 이상의 상을 갖는 산화갈륨(201, 202)을 포함한다. 예를 들어, 니켈 나노구조물(102) 상에는 엡실론-산화갈륨(201)이 형성되고, 상기 니켈 나노구조물이 증착되지 않은 기판 상에는 알파-산화갈륨(202)이 형성된 것일 수 있다.
상기 기판 상의 니켈 나노구조물로 인하여, 니켈 나노구조물 위에는 산화니켈과 격자 구조가 유사한 엡실론-산화갈륨이 선택적으로 측면 성장 모드가 유도되고, 니켈 나노구조물이 형성되지 않은 기판 상에는 알파-산화갈륨의 측면 성장 모드가 유도되어, 알파-산화갈륨과 엡실론-산화갈륨이 혼재되지 않으며 구역화되어 결과적으로 산화갈륨 박막 구조체의 결정성을 높일 수 있게 된다.
상기 특성을 이용하여, 상기 니켈 나노구조물의 패턴을 적절히 조절함으로써 제조된 산화갈륨 박막 구조체의 패턴을 조절하는 것도 가능하다.
상기 니켈 나노구조물의 두께는 1 내지 10 nm의 범위, 보다 구체적으로 5 내지 10 nm의 범위일 수 있다. 상기 범위 내에서, 산화갈륨 박막 구조체의 전기적 특성을 저해하지 않으면서도 안정한 상태로 존재하며 나아가 산화니켈의 p-타입 특성으로 인해 누설전류를 감소시킬 수 있다.
상기 산화갈륨 박막의 두께는 제한되지 않으며, 산화갈륨 박막 구조체의 사용 용도에 따라 적절한 두께로 증착될 수 있다. 예를 들어, MSM 포토다이오드로 사용되기 위해 1.1 내지 1.55 μm 범위로 증착될 수 있다.
상기 기판은 사파이어 기판, 질화갈륨 기판, 실리콘 기판, 탄화규소 기판 중 어느 하나일 수 있으며, 바람직하게는 니켈 나노구조물이 형성되지 않은 기판 상에 알파-산화갈륨이 잘 형성될 수 있도록, 알파-산화갈륨과 동일한 격자구조를 가지며 격자상수 차이가 작은 사파이어 기판을 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 산화갈륨 박막 구조물의 제조방법은 (a) 기판에 니켈 박막을 증착하는 단계; (b) 상기 니켈 박막이 증착된 기판을 급속 열처리하여 니켈 나노구조물을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 기판과 상기 니켈 나노구조물 상에 산화갈륨 박막을 증착하는 단계를 포함하도록 구성된다.
상기 산화갈륨 박막 구조물의 제조방법 개략도를 도 1에 나타내었다. 도 1을 참고하면, 기판(100) 상에 증착된 니켈 박막(101)은 (a) 단계를 거쳐 니켈 나노구조물(102)로 부분적으로 형성되고, (c) 단계를 거치면서 산화갈륨 박막(103)이 니켈 나노구조물로 덮이지 않은 기판과 니켈 나노구조물 상에 증착된다.
상기 (a) 단계에서 니켈 박막을 증착하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 통상적으로 니켈 박막을 증착할 수 있는 방법이면 모두 사용 가능하다. 예를 들어, 미스트 화학기상증착법(mist-CVD), 화학기상증착법(CVD) 또는 Thermal evaporator를 사용하여 니켈 박막을 증착할 수 있다.
상기 기판은 사파이어 기판, 질화갈륨 기판, 실리콘 기판, 탄화규소 기판 중 어느 하나일 수 있으며, 앞서 상술한 바와 같이 알파-산화갈륨 및 엡실론-산화갈륨의 구역화를 위해 바람직하게는 사파이어 기판을 사용할 수 있다.
상기 (b) 단계에서 니켈 박막이 증착된 기판을 급속 열처리할 경우, 액적화(dewetting) 또는 응집(agglomeration)이 일어나 아일랜드 형태의 니켈 나노구조물이 형성된다. 상기 나노구조물은 표면이 산화되어 산화니켈 쉘 내부에 니켈이 존재하는 형태일 수 있다.
상기 (b) 단계에서 급속 열처리는 진공 분위기에서 700 내지 1000℃의 온도범위로 10분 이내로 이루어지는 것일 수 있다. 보다 구체적으로, 800 내지 1000℃의 온도범위로 3 내지 7분간 이루어지는 것일 수 있다. 상기 범위에서 니켈 나노구조물이 적절한 패턴으로 형성되어, 산화갈륨 박막의 결정성을 증대시킬 수 있다.
상기 (c) 단계는 화학기상증착법(CVD), 미스트 화학기상증착법(mist-CVD), 스핀 코팅(Spin coating) 또는 스퍼터링(Sputtering)으로 이루어지는 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 미스트 화학기상증착법(mist-CVD)으로 이루어지는 것일 수 있다.
통상적으로, 알파-산화갈륨은 준안정상태(metastable)이기 때문에 박막을 성장시키기 위해 HVPE(Halide Vapor Phase Epitaxy), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 성장방법이 주로 사용된다. HVPE 성장방법은 전구체 금속을 할로겐화물로서 기체 상태로 수송하고, V족 수소화물과 반응시켜 박막을 제조하는 방법으로, 성장 속도가 매우 빠르며 생산성 또한 높은 장점이 있다. MBE 성장방법은 고진공 상태에 고정된 기판에 원자 또는 분자선을 충돌시켜 에피층을 성장시키는 방법으로, 고순도의 결정을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 상기 두 방법은 고온이나 진공 상태를 필요로 하여 비용이 많이 들고 공정이 복잡한 단점이 있다.
미스트 화학기상증착법(Mist-CVD)은 주로 산화물 반도체 성장을 위해 개발된, 저가로 간단한 공정을 통해 박막을 형성하는 방법이다. 미스트 화학기상증착법의 공정 개략도를 도 3에 나타내었다. 구체적으로, 전구체 용액을 증기(mist) 상태로 만들어 기판에 분무하여 박막을 형성하며, 진공 조건을 만들 필요가 없고 공정이 간단하다. 다만 위 두 방법에 비해 박막의 균일성을 확보하기 어렵다는 단점이 있다.
그러나 앞선 일 측면에서 상술한 바대로, 상기 (c) 단계를 거치며 상기 산화갈륨 박막은 서로 상이한 두가지 이상의 상을 포함하게 된다. 예를 들어, 상기 니켈 나노구조물 상에는 엡실론-산화갈륨이 형성되고, 상기 니켈 나노구조물이 증착되지 않은 기판 상에는 알파-산화갈륨이 형성되므로, 본 발명에서는 결정 품질을 향상시켜 미스트 화학기상증착법을 통해서도 우수한 품질의 산화갈륨 박막 구조체를 제조할 수 있다. 본 발명에서 미스트 화학기상증착법은 니켈 나노구조물을 형성하기 위해 급속 열처리하는 온도보다 낮은 온도로 수행되기에, 니켈 나노구조물에 영향을 미치지 않으면서 산화갈륨 박막을 형성하는 것이 가능하다.
상기 미스트 화학기상증착법은 통상적인 방법이면 제한 없이 사용 가능하며, 품질 향상을 위해 추가되는 어떤 단계도 포함 가능하다. 또한 mist-CVD 장치에도 제한 없이 다양한 장치를 이용 가능하다.
또한 본 발명에서는 일 실시예에 따른 산화갈륨 박막 구조체의 품질 향상을 위한 어떤 단계도 추가로 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 포토다이오드는 본 발명의 어느 한 측면에 따른 산화갈륨 박막 구조물을 포함하도록 구성된다.
상기 포토다이오드는 본 발명의 일 측면에 따른 산화갈륨 박막 구조물을 포함함으로써, 넓은 밴드 갭을 가져 높은 항복 전압(Breakdown Voltage), 높은 전자 이동도를 가지며, 구조체 내부에 포함된 니켈 나노구조체의 p-타입 특성으로 인해 누설 전류는 적어질 수 있으며 동작속도가 빨라 다양한 분야로 적용될 수 있는 이점이 있다. 구체예에서, 상기 포토다이오드는 금속-반도체-금속 포토다이오드(MSM-PD)일 수 있다.
실시예
제조예 1: 니켈 나노구조물의 제조
(a) 기판에 니켈 박막을 증착하는 단계
사파이어 기판 상에, Thermal evaporator를 이용하여 1Å/sec의 속도, 10nm 두께로 니켈 박막을 증착하였다. 각각 다른 온도에서의 열처리를 위해 샘플을 총 4개 준비하였으며, 샘플의 크기는 10 X 10 mm으로 제조하였다.
(b) 니켈 나노구조물을 형성하는 단계
상기 니켈 박막이 증착된 기판을 각각 700℃, 800℃, 900℃ 및 1000℃로 진공 분위기에서 5분간 급속 열처리하였다.
제조예 2: 산화갈륨 박막 구조체의 제조
(c) 산화갈륨 박막을 증착하는 단계
상기 제조예 1의 각 샘플에 대해 mist-CVD 법으로 니켈 나노구조물이 형성되지 않은 기판 및 니켈 나노구조물 위에 산화갈륨 박막을 증착하여 산화갈륨 박막 구조체를 제조하였다. mist-CVD 공정 조건에 대해서는 하기 표 1에 나타내었다.
Source, concentration Ga(acac)2, 0.05 mol/L
Solvent Deionized water
Carrier gas Dry air, 5L/min
Growth temperature 450℃
Growth time 2 hours
실험예 1: SEM 분석 결과
상기 제조예 1에서 제조된, 온도별로 기판 상에 형성된 니켈 나노구조체에 대해 SEM 분석을 실시하였고 이를 도 4의 (a) 내지 (d)에 나타내었다.
또한 제조예 2에서 제조된 산화갈륨 박막 구조체를 각각 Sample A-D로 명명하고(700℃: Sample A, 800℃: Sample B, 900℃: Sample C, 1000℃: Sample D), 이에 대해서도 SEM 분석을 실시하였다. 그 결과를 도 4의 (e) 내지 (h)에 나타내었다.
분석 결과 각 온도별로 니켈 나노구조물이 기판 상에 형성되었으며, 특히 급속 열처리 온도가 1000℃인 경우 니켈 나노구조물이 아일랜드 형태로 고르게 제조된 것을 확인할 수 있었다.
또한, 각 샘플에 대해서 산화갈륨 박막이 구역화된 결정상을 가지며 증착된 것을 확인할 수 있었다.
실험예 2: TEM 촬영 결과
상기 제조예 2에 따른 샘플 중 니켈 나노구조물이 가장 잘 형성되고 산화갈륨 박막의 결정상이 잘 구역화된 Sample D에 대해 TEM 촬영 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 니켈 나노구조물 위에는 엡실론-산화갈륨이 형성된 것을 확인할 수 있었으며, 니켈 나노구조물이 형성되지 않은 사파이어 기판 상에는 알파-산화갈륨이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 또한 니켈 나노구조물의 겉면이 쉘 형태의 산화니켈 상태로 존재하는 것을 확인하였다.
실험예 3: EDS 분석 결과
Sample A 내지 D에 대하여, EDS 분석 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6을 참고하면, Sample A의 결과에서 Ni 및 NiO peak이 나타나 니켈 나노구조물은 니켈과 산화니켈이 공존하는 형태임을 확인할 수 있었으며, Sample B 내지 D의 결과를 통해 알파-산화갈륨과 엡실론-산화갈륨이 동시에 성장됨을 확인할 수 있었다.
제조예 3: 포토다이오드의 제조
본 발명의 일 실시예에 따른 산화갈륨 박막 구조물을 이용하여 금속-반도체-금속 포토다이오드(MSM-PD)를 제조하였다.
MSM-포토다이오드의 buffer layer로 사용된 니켈 박막은 1Å/sec의 속도, 10 nm 두께로 Thermal evaporator를 이용하여 증착되었고, 이후 N2 분위기로 10min 동안 1000℃ 에서 급속 열처리하였다.
이후 니켈 나노구조물 위에 mist-CVD를 사용하여 산화갈륨 박막을 성장시킨 상태에서 전극을 증착하였다. 전극으로 사용되는 니켈 전극은 1Å/sec 속도로 50 nm 증착하여 제조하였다.
대조군으로서 SC(Single Crystal) 평면 포토 다이오드를 사용하였으며, MSM-포토다이오드 및 대조군의 바이어스 전압에 따른 전류 및 포토전류를 측정하고 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7에 따르면, 알파-산화갈륨 SC 평면 포토다이오드가 유효 표면적이 넓고 결정성이 좋아 포토전류가 더 높게 나타나긴 하였으나 본 발명의 일 실시예에 따른 산화갈륨 박막 구조물을 사용한 포토다이오드도 포토전류가 낮지 않게 나타났고, τd1은 0.26~0.34s, τ는 4.13~5.01로 감쇄 시간이 짧게 나타나, 반응속도가 빠른 포토다이오드로 사용 가능할 수 있음을 확인하였다.

Claims (17)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 부분적으로 증착된 니켈 나노구조물; 및
    상기 기판과 상기 니켈 나노구조물 상에 증착된 산화갈륨 박막을 포함하는, 산화갈륨 박막 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화갈륨 박막은 서로 상이한 두가지 이상의 상을 포함하는, 산화갈륨 박막 구조물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 니켈 나노구조물 상에는 엡실론-산화갈륨이 형성되고, 상기 니켈 나노구조물이 증착되지 않은 기판 상에는 알파-산화갈륨이 형성된 것인, 산화갈륨 박막 구조물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기판은 사파이어 기판, 질화갈륨 기판, 실리콘 기판, 탄화규소 기판 중 어느 하나인, 산화갈륨 박막 구조물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 산화갈륨 박막은 화학기상증착법(CVD), 미스트 화학기상증착법(mist-CVD), 스핀 코팅(Spin coating) 또는 스퍼터링(Sputtering)으로 증착된 것인, 산화갈륨 박막 구조물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 니켈 나노구조물은 산화니켈 쉘 내부에 니켈이 존재하는 형태인, 산화갈륨 박막 구조물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 니켈 나노구조물의 두께는 1 내지 10 nm인, 산화갈륨 박막 구조물.
  8. (a)기판에 니켈 박막을 증착하는 단계;
    (b)상기 니켈 박막이 증착된 기판을 급속 열처리하여 니켈 나노구조물을 형성하는 단계; 및
    (c)상기 기판과 상기 니켈 나노구조물 상에 산화갈륨 박막을 증착하는 단계를 포함하는,
    산화갈륨 박막 구조물의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 기판은 사파이어 기판, 질화갈륨 기판, 실리콘 기판, 탄화규소 기판 중 어느 하나인, 산화갈륨 박막 구조물의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 급속 열처리는 진공 분위기에서 700 내지 1000℃의 온도범위로 10분 이내로 이루어지는 것인, 산화갈륨 박막 구조물의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 니켈 나노구조물은 산화니켈 쉘 내부에 니켈이 존재하는 형태인, 산화갈륨 박막 구조물의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 (c) 단계는 화학기상증착법(CVD), 미스트 화학기상증착법(mist-CVD), 스핀 코팅(Spin coating) 또는 스퍼터링(Sputtering)으로 이루어지는, 산화갈륨 박막 구조물의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 증착된 상기 산화갈륨 박막은 서로 상이한 두가지 이상의 상을 포함하는, 산화갈륨 박막 구조물의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 상기 니켈 나노구조물 상에는 엡실론-산화갈륨이 형성되고, 상기 니켈 나노구조물이 증착되지 않은 기판 상에는 알파-산화갈륨이 형성되는, 산화갈륨 박막 구조물의 제조방법.
  15. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 산화갈륨 박막 구조물을 포함하는 포토다이오드.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 포토다이오드의 광전류 측정시 τd1은 0.26 내지 0.34s인, 포토다이오드.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 포토다이오드의 광전류 측정시 τd2는 4.13 내지 5.01s인, 포토다이오드.
KR1020240045577A 2024-04-03 2024-04-03 산화갈륨 박막 구조물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 포토다이오드 KR20240060525A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020240045577A KR20240060525A (ko) 2024-04-03 2024-04-03 산화갈륨 박막 구조물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 포토다이오드

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020240045577A KR20240060525A (ko) 2024-04-03 2024-04-03 산화갈륨 박막 구조물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 포토다이오드

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240060525A true KR20240060525A (ko) 2024-05-08

Family

ID=91074322

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020240045577A KR20240060525A (ko) 2024-04-03 2024-04-03 산화갈륨 박막 구조물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 포토다이오드

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20240060525A (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220151628A (ko) 2020-03-06 2022-11-15 알레그로 파마슈티칼스, 엘엘씨 미토콘드리아 기능의 손상을 개선하거나 감소시키기 위한 치료

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220151628A (ko) 2020-03-06 2022-11-15 알레그로 파마슈티칼스, 엘엘씨 미토콘드리아 기능의 손상을 개선하거나 감소시키기 위한 치료

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5760426A (en) Heteroepitaxial semiconductor device including silicon substrate, GaAs layer and GaN layer #13
JP4249184B2 (ja) 窒化物半導体成長用基板
Kong et al. Epitaxial growth of β‐SiC thin films on 6H α‐SiC substrates via chemical vapor deposition
CN113235047B (zh) 一种AlN薄膜的制备方法
CA1297390C (en) Method of epitaxially growing gallium arsenide on silicon
JPH04223330A (ja) 単結晶珪素基板上への化合物半導体単結晶の作製方法
Ohmachi et al. The heteroepitaxy of Ge on Si (100) by vacuum evaporation
US6255004B1 (en) III-V nitride semiconductor devices and process for the production thereof
US6995076B2 (en) Relaxed SiGe films by surfactant mediation
Huang et al. InAsSbBi alloys grown by organometallic vapor‐phase epitaxy
Davis et al. Gas-source molecular beam epitaxy of III–V nitrides
Wang et al. Optical and electrical properties of InP/InGaAs grown selectively on SiO2‐masked InP
KR20240060525A (ko) 산화갈륨 박막 구조물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 포토다이오드
KR101041659B1 (ko) 산화아연 버퍼층을 이용한 질화갈륨 에피층 제조방법
JP2023096845A (ja) 窒化物半導体膜を作製するためのテンプレート及びその製造方法
KR100281939B1 (ko) 반도체 에피택셜 기판
Kern et al. Aluminum nitride-silicon carbide solid solutions grown by plasma-assisted, gas-source molecular beam epitaxy
Oishi et al. Growth and characterization of CuGaS2 thin films on (100) Si by vacuum deposition with three sources
CN114373828B (zh) 一种单晶二维半导体碲化钼薄膜与任意晶格失配单晶基底异质集成的方法
Grundmann et al. Antiphase-domain-free InP on Si (001): Optimization of MOCVD process
Strömberg et al. Epitaxial lateral overgrowth of GaAsP/Si for tandem solar cell
JPS63305511A (ja) 半導体装置およびその製造方法
KR960004904B1 (ko) 다공성 실리콘기판위에 갈륨비소를 성장하는 방법
JP4078169B2 (ja) 電界効果トランジスター
JP3319052B2 (ja) 有機金属気相成長方法

Legal Events

Date Code Title Description
G15R Request for early publication