탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)으로 대표되는 와이드 밴드갭(WBG) 반도체가 큰 주목을 받고 있다. 사람들은 전기 자동차와 전력망에 탄화규소를 적용할 가능성과 급속 충전에 질화갈륨을 적용할 가능성에 대해 높은 기대를 갖고 있습니다. 최근에는 Ga2O3, AlN 및 다이아몬드 재료에 대한 연구가 크게 진전되어 초광대역 밴드갭 반도체 재료가 주목을 받고 있습니다. 그 중 산화갈륨(Ga2O3)은 밴드갭 4.8eV, 이론적 임계 항복 전계 강도 약 8MV cm-1, 포화 속도 약 2E7cm s-1, Baliga 품질 계수는 3000으로 높아 고전압 및 고주파 전력 전자 분야에서 폭넓은 주목을 받고 있습니다.
1. 산화갈륨 재료 특성
Ga2O3는 큰 밴드 갭(4.8eV)을 가지며, 높은 내압과 고전력 성능을 모두 달성할 것으로 예상되며, 상대적으로 낮은 저항에서 높은 전압 적응성을 가질 수 있어 현재 연구의 초점이 되고 있습니다. 또한, Ga2O3는 우수한 재료 물성을 가질 뿐만 아니라 조정이 용이한 다양한 n형 도핑 기술과 저비용의 기판 성장 및 에피택시 기술을 제공합니다. 지금까지 Ga2O3에서는 커런덤(α), 단사정계(β), 결함 스피넬(γ), 입방정(δ) 및 사방정계(ɛ) 상을 포함하여 5개의 서로 다른 결정상이 발견되었습니다. 열역학적 안정성은 순서대로 γ, δ, α, ɛ, β입니다. 단사정계 β-Ga2O3는 특히 고온에서 가장 안정한 반면, 다른 상은 실온 이상에서 준안정하고 특정 열 조건에서 β 상으로 변환되는 경향이 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 따라서 최근 전력전자 분야에서는 β-Ga2O3 기반 소자의 개발이 주요 관심사가 되고 있다.
표 1 일부 반도체 재료 매개변수의 비교
단사정계β-Ga2O3의 결정 구조는 표 1에 나와 있습니다. 격자 매개변수는 a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, β = 103.8°를 포함합니다. 단위 셀은 꼬인 사면체 배위를 갖는 Ga(I) 원자와 팔면체 배위를 갖는 Ga(II) 원자로 구성됩니다. "꼬인 입방체" 배열에는 두 개의 삼각형으로 배위된 O(I) 및 O(II) 원자와 하나의 사면체로 배위된 O(III) 원자를 포함하여 세 가지 다른 산소 원자 배열이 있습니다. 이 두 가지 유형의 원자 배위 조합은 물리학, 화학적 부식, 광학 및 전자 분야의 특별한 특성을 지닌 β-Ga2O3의 이방성을 초래합니다.
그림 1 단사정계 β-Ga2O3 결정의 개략 구조도
에너지 밴드 이론의 관점에서 β-Ga2O3 전도대의 최소값은 Ga 원자의 4s0 하이브리드 궤도에 해당하는 에너지 상태에서 파생됩니다. 전도대의 최소값과 진공 에너지 준위(전자 친화력 에너지) 간의 에너지 차이를 측정합니다. 4eV이다. β-Ga2O3의 유효 전자 질량은 0.28–0.33 me로 측정되었으며 전자 전도성이 좋습니다. 그러나 가전자대 최대값은 곡률이 매우 낮고 O2p 궤도가 강하게 국한된 얕은 Ek 곡선을 나타내며 이는 구멍이 깊게 국한되어 있음을 나타냅니다. 이러한 특성은 β-Ga2O3에서 p형 도핑을 달성하는 데 큰 어려움을 안겨줍니다. P형 도핑이 가능하더라도 정공 μ는 매우 낮은 수준으로 유지됩니다. 2. 벌크 산화 갈륨 단결정 성장 지금까지 β-Ga2O3 벌크 단결정 기판의 성장 방법은 주로 Czochralski(CZ)와 같은 결정 풀링 방법, Edge-Defined Thin Film Feeding 방법(Edge -Defined film-fed) , EFG), Bridgman(수직 또는 수평 Bridgman, HB 또는 VB) 및 플로팅 존(floating zone, FZ) 기술. 모든 방법 중에서 Czochralski 및 엣지 정의 박막 공급 방법은 대량 생산과 낮은 결함 밀도를 동시에 달성할 수 있기 때문에 향후 β-Ga2O3 웨이퍼 대량 생산을 위한 가장 유망한 방법이 될 것으로 예상됩니다. 지금까지 일본의 Novel Crystal Technology는 용융 성장 β-Ga2O3용 상용 매트릭스를 실현했습니다.
1.1 초크랄스키 방법
초크랄스키 방법의 원리는 먼저 시드층을 덮은 다음 단결정을 용융물에서 천천히 빼내는 것입니다. Czochralski 방법은 비용 효율성, 큰 크기 기능 및 높은 결정 품질 기판 성장으로 인해 β-Ga2O3에 점점 더 중요해지고 있습니다. 그러나 Ga2O3의 고온 성장 시 열적 스트레스로 인해 단결정, 용융 물질의 증발, Ir 도가니의 손상이 발생합니다. 이는 Ga2O3에서 낮은 n형 도핑을 달성하기 어려운 결과입니다. 성장 분위기에 적절한 양의 산소를 도입하는 것이 이 문제를 해결하는 한 가지 방법입니다. 최적화를 통해 자유 전자 농도 범위가 10^16~10^19 cm-3이고 최대 전자 밀도가 160 cm2/Vs인 고품질 2인치 β-Ga2O3가 Czochralski 방법으로 성공적으로 성장되었습니다.
그림 2 초크랄스키(Czochralski) 방법으로 성장한 β-Ga2O3 단결정
1.2 Edge-Defined 필름 공급 방식
Edge-Defined Thin Film Feeding 방법은 대면적 Ga2O3 단결정 재료의 상업적 생산을 위한 주요 경쟁자로 간주됩니다. 이 방법의 원리는 모세관 슬릿이 있는 금형에 용융물을 넣고 모세관 현상을 통해 용융물이 금형 위로 올라가는 것입니다. 상부에는 종자결정에 의해 결정화를 유도하면서 얇은 막이 형성되어 사방으로 퍼지게 된다. 또한, 몰드 상단의 가장자리를 제어하여 플레이크, 튜브 또는 원하는 형상의 결정을 생성할 수 있습니다. Ga2O3의 Edge-Defined Thin Film Feeding 방식은 빠른 성장 속도와 큰 직경을 제공합니다. 그림 3은 β-Ga2O3 단결정의 다이어그램을 보여줍니다. 또한, 사이즈 규모 면에서는 투명성과 균일성이 우수한 2인치와 4인치 β-Ga2O3 기판이 상용화되었으며, 6인치 기판은 향후 상용화를 위한 연구를 통해 실증되고 있다. 최근에는 (-201) 방향의 대형 원형 단결정 벌크 재료도 출시되었습니다. 또한, β-Ga2O3 엣지 정의 필름 공급 방법은 전이 금속 원소의 도핑을 촉진하여 Ga2O3의 연구 및 준비를 가능하게 합니다.
그림 3. Edge Defined Film Feeding 방식으로 성장한 β-Ga2O3 단결정
1.3 브리지먼 방식
Bridgeman 방법에서는 온도 구배를 통해 점진적으로 이동하는 도가니에서 결정이 형성됩니다. 공정은 일반적으로 회전 도가니를 사용하여 수평 또는 수직 방향으로 수행될 수 있습니다. 이 방법은 크리스탈 시드를 사용할 수도 있고 사용하지 않을 수도 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 기존 Bridgman 작업자는 용융 및 결정 성장 과정을 직접적으로 시각화할 수 없으며 매우 정밀하게 온도를 제어해야 합니다. β-Ga2O3 성장에는 수직형 브리지먼법이 주로 사용되며, 대기환경에서도 성장이 가능한 것으로 알려져 있다. 수직형 브리지먼법 성장 과정에서 용융물과 도가니의 총 질량 손실이 1% 미만으로 유지되어 손실을 최소화하면서 대형 β-Ga2O3 단결정 성장이 가능합니다.
그림 4 Bridgeman 방법으로 성장한 β-Ga2O3 단결정
1.4 플로팅존 방식
플로팅 존 방법은 도가니 재료에 의한 결정 오염 문제를 해결하고 고온 내성 적외선 도가니와 관련된 높은 비용을 줄입니다. 이 성장 과정에서 용융물은 RF 소스가 아닌 램프에 의해 가열될 수 있으므로 성장 장비에 대한 요구 사항이 단순화됩니다. 플로팅 존 방법으로 성장한 β-Ga2O3의 모양과 결정 품질은 아직 최적이 아니지만, 이 방법은 고순도 β-Ga2O3를 예산 친화적인 단결정으로 성장시키는 유망한 방법을 열어줍니다.
그림 5 플로팅 존 방법으로 성장한 β-Ga2O3 단결정.
게시 시간: 2024년 5월 30일