Characteristics of Sputtering-Deposited β-Ga2O3 on c-Sapphire Substrate for Power Semiconductors

Abstract

광밴드갭(wide bandgap, WBG) 반도체 재료는 최근 10년 동안 엔지니어와 반도체 연구원들로부터 더 많은 관심을 받아 왔으며, 광밴드갭 반도체 재료로는 SiC, GaN, Ga2O3, 다이아몬드 등이 있다. 이러한 광밴드갭 재료 중에서 Ga2O3는 가장 관심이 집중되는 후보로서 다양한 응용 분야에서 광범위하게 연구되고 활용되고 있다. 단사정계(monoclic) β-Ga2O3는 α-, γ-, δ-, ε-상 등과 비교할 때에 가장 안정적인 구조로서 도너로 작용하여 n형 전기전도도를 나타낸다. 나머지 4가지 상은 본질적으로 준안정적이며, 약 750℃의 온도에서 β-Ga2O3로 상변환할 수 있다. Ga2O3는 최대 5.0eV의 넓은 밴드갭, 높은 항복전압(>8MV/cm), 3444의 독보적 발리가성능지수(Baliga figure of merit, BFOM), 300cm2/Vs의 우수한 전자이동도 등 뛰어난 특성을 가진 반도체이다. 이러한 특성으로 인해 마이크로파 스위칭, 증폭, 자외선(UV) 투명전도성막, 자외선 검출기 및 고전력 전자부품의 연구 및 응용 분야에 적합하다. 초고가 단결정 β-Ga2O3 기판으로 인한 응용에의 한계를 극복하기 위해 사파이어(Al2O3) 기판 위에 β-Ga2O3 에피택셜 층을 형성하기 위한 광범위한 연구가 진행 중이다. 그러나 Al2O3 기판 위에 에피택셜 층을 성장시키는 과정에서 전위 증가 등 소자 성능을 저하시키는 요인이 발생한다는 보고가 있다. 본 논문에서는 c면 사파이어 기판 위에 β-Ga2O3 에피택셜 층을 성장시키기 위해 무선주파수(RF) 스퍼터링 방법을 사용하여 제조한 후 급속열처리(rapid thermal annealing, RTA) 시스템에서 열처리 공정을 통해 재현 가능하고 안정적이며 응력이 낮은 고품질의 β-Ga2O3 버퍼층을 제조했다. β-Ga2O3 막은 질소(N2) 가스 분위기에서 다양한 열처리 온도와 시간에서 평가 및 검사되었다. 구조적, 표면적, 화학적, 결정적 특성을 평가했습니다. 어닐링 온도 및 시간의 증가를 통해 반치폭(full width at half maximum, FWHM)의 감소와 결정 크기가 증가 하여 결정 품질이 향상되었음을 확인하였다. 어닐링 온도 및 시간이 증가함에 따라 표면 특성은 균질하고, 조밀하고, 명확한 입계를 갖는 명료한 결정립을 나타냈다. 또한 β-Ga2O3 막의 원소 비율은 어닐링 온도 및 시간의 영향으로 순수한 β-Ga2O3의 화학양론에 근접했다. 어닐링 시간이 지나치게 길어지면 로킹커브(rocking curve) 측정에서 열효과로 인해 전위 특성이 저하 되었다. 이러한 연구를 통해 얻은 우수한 물성을 고려할 때, c면 사파이어 기판에 스퍼터링 공정으로 제작한 전구체를 급속열처리 시스템에서 어닐링하여 제작한 β-Ga2O3 막이 우수한 품질의 β-Ga2O3 에피택셜 층을 형성하기 위한 격자 템플릿으로 사용될 수 있음을 확인할 수 있다. |Wide bandgap (WBG) semiconductor materials have gained more interest from engineers and semiconductor researchers over the last decade. The WBG semiconductor materials include SiC, GaN, Ga2O3, and diamond. Among these WBG materials, Ga2O3 stands out as the most intriguing candidate, which has been extensively studied and utilized in various applications. A monoclinic β-Ga2O3 is the most stable structure compared to the α-, γ-, δ-, and ε-phases, exhibiting n-type electrical conductivity due to oxygen vacancies acting as donors. The remaining four phases are metastable in nature and are capable of converting into β-Ga2O3 at temperatures around 750 °C. Ga2O3 is a kind of semiconductor with outstanding properties, including a wide bandgap up to 5.0 eV, high breakdown voltages (>8 MV/cm), a remarkable Baliga figure of merit (BFOM) of 3444, and a good electron mobility of 300 cm2/Vs. These properties make it suitable for research and applications in microwave switching, amplification, ultraviolet (UV)-transparent conductive films, UV detectors, and possibly in high-power electronics. In order to overcome the application limitations caused by the ultra-expensive single-crystal β-Ga2O3 substrates, extensive research is being conducted to form a β-Ga2O3 epitaxial layer on a sapphire (Al2O3) substrate. However, there have been reports of factors that degrade device performance, such as increased dislocations, during the process of growing the epitaxial layer on an Al2O3 substrate. In this thesis, reproducible, stable, low-stress, high-quality β-Ga2O3 buffer layer for growing the β-Ga2O3 epitaxial layer on a c-sapphire substrate has been prepared using radio frequency (RF) sputtering, followed by a post-annealing process in an RTA system. The β-Ga2O3 films were evaluated and examined with varying the annealing temperatures and annealing times in an N2 ambient gas. The structural, surface, chemical, and crystal qualities were evaluated. By increasing in the annealing temperatures and times, the crystallite size increased while the full width at half maximum (FWHM) decreased, indicating improved crystal quality. Surface properties showed homogeneous, dense, compact, and well-defined grains with clear grain boundaries as the annealing temperatures and times increased. Furthermore, the percentage of elements in the β-Ga2O3 film approached a stoichiometry of pure β-Ga2O3 as a function of annealing temperature and time. Additionally, longer annealing times resulted in a degraded dislocation property in the rocking curve measurement due to the thermal effect. Considering the excellent physical properties obtained from these investigations, it can be confirmed that a β-Ga2O3 film prepared by sputtering on the c-sapphire substrate followed by post-annealing in the RTA system can serve as a lattice template for forming the highest-quality β-Ga2O3 epitaxial layer.