라디오 주파수 분말 스퍼터링 방법에 의해 성장된 In-doped β-Ga2O3 박막의 자발적 상 분리

Abstract

β-Ga2O3는 Ga2O3의 여러 가지 다형체 중에서 가장 안정한 물질이다. 또한 화학양론적 화합물이며 4.9eV의 넓은 band gap을 가지며, 발광 형광체, 산소 센서로서 응용 가능한 n-type semiconductor이다. 본 논문에서는 Radio Frequency Powder Sputtering 방법을 이용하여 In-doped β-Ga2O3 박막을 제조하고 그에 따른 자발적 상 분리에 대해 연구하였다. 초기 박막은 스퍼터 성장에서 사용한 Ar gas로 인해 산소 부족 분위기 유도되어 산소결핍 상태의 non-stoichiometric Ga2O3-x로 성장한다. 그 후 Ga2O3-x는 In2O3로부터 산소를 받아 stoichiometric Ga2O3로 변환된다. In2O3의 일부는 박막의 두께가 증가함에 따라 자발적으로 self-assembled In cluster로 변형된다. 결과적으로 In-doped β-Ga2O3-x 에서 Ga2O3 및 In으로의 자발적 상 분리가 일어났다. metallic In cluster는 liquid seed로 작용하여 self-catalytic VLS mechanism을 통해 island structure에 나노와이어 성장을 위한 핵 생성 사이트를 제공한다.|β-Ga2O3 is the only stable oxide of the main group element gallium. It is a stoichiometric compound and a wide band gap of 4.9eV, n-type semiconductor with applications as a luminescent phosphor, as an oxygen sensor. We investigated the surface structure of In-doped β-Ga2O3 thin films deposited on sapphire substrate using radio frequency powder sputtering. The evolution of surface morphology with increasing the film thickness was investigated. The initial thin film is non-stoichiometric gallium oxide (Ga2O3-x) that is in an oxygen deficient state due to the oxygen deficient atmosphere during sputter growth. Then, Ga2O3-x is transformed into a stoichiometric Ga2O3 by receiving oxygen from In2O3. Some of In2O3 are transformed spontaneously into a self-assembled In cluster as the film thickness increases. Consequently, a spontaneous phase separation from In-doped Ga2O3-x to Ga2O3 and In occurred at an intermediate stage. The metallic In cluster acts as liquid seeds, providing nucleation sites for the growth of nanowire on surface island structure via a self-catalytic VLS mechanism.