Research

산화갈륨은 넓은 밴드갭과 높은 항복전계 특성을 갖는 반도체 소재로, 차세대 전력반도체와 광전자 소자 분야에서 주목받고 있다. 특히 베타상 산화갈륨은 고전압과 고온 환경에서도 안정적인 동작이 기대되는 소재로 알려져 있으며, 이를 고품질 박막으로 성장시키기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 하지만 산화갈륨 박막을 사파이어와 같은 이종 기판 위에 성장시킬 경우, 기판과 박막 사이의 구조적 차이로 인해 초기 성장 과정에서 결함이 쉽게 발생할 수 있다. 이러한 결함은 박막의 결정성 저하, 표면 거칠기 증가, 두께 불균일성으로 이어질 수 있으며, 최종적으로 소자의 전기적 특성과 신뢰성에도 영향을 줄 수 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 개선하기 위해 미스트 화학기상증착 공정을 이용한 베타상 산화갈륨 박막 성장 기술을 연구하고 있다. 미스트 화학기상증착은 금속 전구체 용액을 미세한 안개 형태로 만들어 반응 영역까지 전달한 뒤, 기판 위에서 박막을 성장시키는 방식이다. 공정 구성이 비교적 단순하고 장비 비용이 낮으며, 산화물 반도체 박막 성장에 적용하기 적합하다는 장점이 있다. 특히 사파이어 기판 위에 산화갈륨 박막을 바로 성장시키는 경우 초기 핵생성이 불안정하게 진행될 수 있기 때문에, 본 연구에서는 알루미늄이 도핑된 산화갈륨 버퍼층을 도입하였다. 버퍼층은 기판과 본 성장층 사이에서 초기 성장 거동을 완화하고, 박막이 보다 안정적으로 성장할 수 있는 기반을 제공한다. 이를 통해 박막의 결정성, 표면 형상, 두께 균일도를 개선할 수 있는지 확인하고 있다. 또한 미스트 화학기상증착 공정은 전구체가 하부 소스 영역에서 발생해 기판 방향으로 전달되는 특성을 갖기 때문에, 위치에 따라 성장률과 두께 차이가 나타날 수 있다. 본 연구에서는 버퍼층 도입이 이러한 성장 불균일성을 줄이는 데에도 효과가 있는지 함께 분석하고 있다. 이를 위해 알루미늄 도핑 농도와 버퍼층 성장 조건을 달리하여 산화갈륨 박막을 성장시키고, 결정 구조와 표면 형상, 두께 분포를 비교 분석하고 있다. 또한 주석이 도핑된 산화갈륨 박막을 성장시켜 전기적 특성을 평가하고 있으며, 홀 측정과 전류-전압 측정을 통해 도핑층의 전도 특성과 소자 적용 가능성을 확인하고 있다. 본 연구는 미스트 화학기상증착 기반 산화갈륨 박막 성장에서 버퍼층이 박막 품질에 미치는 영향을 체계적으로 이해하는 것을 목표로 한다. 이를 바탕으로 고품질 산화갈륨 박막 성장 조건을 확립하고, 향후 고내압 전력반도체, 자외선 광검출기, 차세대 산화물 반도체 소자 제작에 활용할 수 있는 기반 기술을 마련하고자 한다.