Si 기판을 이용한 플라즈마 원자층 증착법 기반의 Sn 도핑 Gallium oxide 박막 제작 및 전력 소자로의 특성 평가 연구
The Study on the Fabrication of Sn-doped Gallium oxide Thin Films based on Plasma-Enhanced ALD using Si-based substrate and their Characterization as Power Devices
- 주제(키워드) Gallium oxide , Si 기판 , 플라즈마 원자층 증착법 , 전력 소자
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 서형탁
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034621
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
전력 반도체는 지속적인 기술 혁신과 연구 개발을 통해 다양한 산업 분야에서 핵심 적인 역할을 수행하고 있다. 전기 자동차를 비롯하여 재생 에너지, 저장 시스템, 데이터 센터 등 여러 영역에서 그 필요성이 대두되었다. 기존의 Si 소재를 넘어 SiC, GaN의 신 소재와 Ga2O3의 차세대 소재까지 등장하였다. Ga2O3는 고 전계 강도, 고속 스위칭의 우수한 전기적 특성과 저렴한 원료에 기반한 원가 절감 가능성을 바탕으로 주목받고 있다. 소재 기반의 연구를 바탕으로 전력 반도체의 수요 증가에 대응 중인 만큼, 이에 상응하는 발전이 뒷받침되어야 한다. 하지만, 기술적으로 많은 진보를 이루어 온 메모리 반도체, 논리 반도체 등과 달리 전력 반도체의 발전 속도는 상대적으로 느린 편이다. 국내에서는 더욱 그렇다. 특히, 기술적 난이도와 생산 비용의 문제를 극복하여 제작 상의 한계를 줄일 수 있다. 구체적으로는 에피텍셜 성장과 에피 웨이퍼를 대체하여 높은 비용, 기판 크기, 공정 속도 등의 측면에서 제약을 완화할 수 있다. 본 연구에서는 열처리 공정과 Si 기반 기판을 활용하여 차세대 전력 반도체 소재인 Ga2O3 기술 발전을 다루었다. 열처리 공정으로 RTP를 이용하여 낮은 온도와 짧은 시간 안에 결정 박막을 유도하였다. 전력 반도체 소자는 보편적으로 에피 웨이퍼 혹은 버퍼층이 증착된 Si 기판 등을 주로 사용한다. 하지만, 복잡한 공정과 낮은 가격 경쟁력 등이 전력 반도체 시장 확장을 저해하고 있다. 이에 Si 기반 기판은 범용성을 토대로 한 이점이 많아 좋은 해결책이 될 수 있다. 고도화된 기술과 저렴한 가격으로 기존 회로와의 통합 가능성, 반도체 제조 라인의 실용 가능성 등 높은 효율성을 가질 수 있다. 5가지의 상을 갖는 다형체 물질 Ga2O3에서 가장 안정적으로 알려진 monoclinic 결정 구조의 β 상을 목표하였다. 이후 GI-XRD 분석을 통해 SiO2 기판에서 β 상의 Ga2O3 결정면이 유도되는 열처리 공정을 최적화하였다. TEM 분석을 통해 GI-XRD 분석 피크 중 β 상의 결정면을 관찰하였고 면간 거리를 확인하였다. Ga2O3의 울트라 와이드 밴드 갭으로 인한 절연성을 높이기 위해 도핑 공정을 활용하였다. 특히, 고용체 형태가 아닌 표면에 지배적인 도핑을 유도하여 Ga2O3 특성인 높은 항복전압을 유지하였다. 전기적 특성 분석을 통해 도핑 효과를 확인하고 화학적, 구조적 특성 분석을 통해 Sn 이온의 치환형 도핑 방식을 입증하였다. Sn-doped Ga2O3 박막을 박막 트랜지스터의 활성층으로 적용하여 전력 소자로의 특성을 평가하였다. 포토 공정을 이용하여 Top gate 구조의 박막 트랜지스터를 제작하고, 전기적 특성을 측정하여 반도체 동작 여부를 파악하였다. 200V의 2-터미널 전류, 50V의 3-터미널 전류에서 박막 파괴 없는 동작과 200°C의 온도 증가에 따른 전류 증가를 확인하였다. 이는 Si 소재의 150°C 동작 범위를 초과하는 온도이다. 이에 따라 고전압 안정성과 고온 허용성을 확보하였고 전력 소자로의 응용 가능성을 제시하였다. 전력 반도체 연구 개발의 무한한 지속성 가운데, Ga2O3 소재 및 소자 기술은 중요한 전환점을 맞이하고 있다. 향후 장기적 안정성, 결정 품질 등을 보완한다면 전력 반도체의 선구자가 될 것이다. SiC, GaN 소재의 한계를 넘어서는 성능을 구현하며 잠재성을 발휘하는 데 본 연구가 기초적인 토대를 제공할 것임을 기대한다.
more목차
제 1 장. 서론 1
1. 전력 반도체 시장 1
2. 차세대 전력 반도체 소재 4
3. 이론적 배경 6
가. 전력 반도체 소자 6
나. 박막 트랜지스터 (Thin Film Transistor) 8
다. Ga2O3 (Gallium Oxide) 11
라. Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD) 13
마. Grazing Incidence X-Ray Diffraction (GI-XRD) 14
바. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 16
사. Transmission Electron Microscopy (TEM) 18
아. Atomic Force Microscope (AFM) 19
제 2 장. PEALD 기반 Gallium oxide 박막 제작 및 특성 분석 21
1. 서론 21
2. 실험 방법 22
가. PEALD 22
나. Rapid Thermal Processing (RTP) 22
3. 실험 결과 및 고찰 24
가. Growth Per Cycle (GPC) 24
나. GI-XRD 24
다. TEM 27
제 3 장. Sn 도핑을 이용한 PEALD 기반 Gallium oxide 박막 제작 및 특성 분석 31
1. 서론 31
2. 실험 방법 32
가. Thermal-Atomic Layer Deposition (T-ALD) 32
나. E-beam evaporator 33
다. Measurement method 33
3. 실험 결과 및 고찰 34
가. 전기적 특성 분석 34
나. XPS 39
다. AR-XPS 40
라. GI-XRD 46
마. TEM 47
바. AFM 48
4. 결론 50
제 4 장. 전력 소자로의 특성 평가 51
1. 서론 51
2. 실험 방법 52
가. TFT 52
나. Measurement method 53
3. 실험 결과 및 고찰 55
가. 전기적 특성 분석 55
나. 고전압 측정 56
다. 고온 측정 57
4. 결론 59
제 5 장. 결론 60
참고문헌 62
