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표제지

요약

목차

Ⅰ. 서론 10

Ⅱ. 이론적 배경 13

1. 산화갈륨(Gallium Oxide, Ga₂O₃) 13

2. Ga₂O₃ 단결정 성장법 19

1) 다양한 액상 성장법 19

2) Edge-Defined Film-Fed Growth(EFG) 22

3. Ga₂O₃ 결함 25

Ⅲ. 실험 방법 32

1, EFG 법을 이용한 β-Ga₂O₃ 단결정 성장 32

1) 실험 준비 32

2) 성장 실험 41

2, β-Ga₂O₃ 단결정 가공 47

1) Gas Flow Package(Tube Furnace) 47

2) Diamond Single Wire Sawing 48

3) Diamond Mechanical Polishing & Chemical Mechanical Polishing 52

3. β-Ga₂O₃ 단결정 분석 54

1) 고분해능 X선 회절 분석기(High Resolution X-ray Diffractometer) 54

2) 자외/가시광/근적외선 분광기(UV/VIS/NIR Spectrophotometer) 56

3) 수은 프로브(Mercury Probe) 57

4) 원자 힘 현미경(Atomic Forced Microscope) 58

5) 광학현미경(Optical Microscope) 59

Ⅳ. 실험 결과 60

1. 성장 결과 60

2. 분석 결과 63

1) HR-XRD 분석 결과 63

2) 광학적 특성 분석 결과 66

3) 전기적 특성 분석 결과 68

4) 표면 이미지 및 거칠기 분석 결과 70

5) 결함 분석 결과 73

Ⅴ. 결론 75

참고문헌 77

Abstract 81

표목차

Table. 1. Comparison of physical properties of common wide bandgap(WBG) and ultra-wide bandgap(UWBG) semiconductors. 17

Table. 2. Growth parameters. 24

Table. 3. β-Ga₂O₃ single crystal growth experiment sequence using EFG method. 34

Table. 4. Powder pressing and sintering process conditions. 36

Table. 5. β-Ga₂O₃ single crystal growth experiment conditions using EFG method. 40

Table. 6. Parameters and growth conditions in experiments. 44

Table. 7. Mohs hardness of various materials. 48

Table. 8. DMP & CMP process condition. 52

Table. 9. Carrier concentration analysis results by surface direction. 69

Table. 10. Surface roughness analysis results by surface direction. 72

그림목차

Fig. 1. The pentagon diagram of power semiconductor devices. 12

Fig. 2. Crystal structures of five poly types of Ga₂O₃ 14

Fig. 3. Thermodynamic stability of Ga₂O₃ poly types. 15

Fig. 4. Crystal structure of β-Ga₂O₃ 16

Fig. 5. Relationship between breakdown voltage and on-resistance. 18

Fig. 6. Phase diagram of the Ga-O system. 20

Fig. 7. Comparison of various growth methods for β-Ga₂O₃ bulk crystal [9]. 21

Fig. 8. Schematic of EFG method for β-Ga₂O₃ bulk crystal. 23

Fig. 9. Schematic model of the EFG method using three slits and a die. 24

Fig. 10. (a) : Photograph of a single crystal grown on the (-201) plane with high twin density, (b) : (010)... 27

Fig. 11. Structure of twin boundary deduced from experimental results. 28

Fig. 12. (a) : (010) plane observed using an optical microscope after etching, (b) : Typical SEM image of the etched pit shown in (a), (c) :... 29

Fig. 13. (a) : A typical SEM image of a nanovoid, (b) : A cross-sectional FIB-SIM image of the nanovoid shown in (a). 30

Fig. 14. SEM image of a line shaped etch pit. 30

Fig. 15. (a) : (-201) plane observed with an optical microscope after etching, (b) : Enlarged image of the etched pit. 31

Fig. 16. β-Ga₂O₃(001) seed crystal used for growth. 35

Fig. 17. Powder pressing 36

Fig. 18. Iridium Crucible(using Multi-slit). 37

Fig. 19. Equipment of AXEL Co., Ltd. : EFG Equipment. 37

Fig. 20. Powder and refractory charging. 38

Fig. 21. Charging structure. 39

Fig. 22. Monitoring the growth process. 45

Fig. 23. Comparison of growth process graphs for A and B. 46

Fig. 24. Gas Flow Package(Tube Furnace). 47

Fig. 25. On-axis sample sawing process using diamond single wire sawing. 49

Fig. 26. Off-axis sample sawing process using diamond single wire sawing. 50

Fig. 27. Diamond Single Wire Sawing machine. 51

Fig. 28. Diamond Mechanical Polishing machine. 53

Fig. 29. Chemical Mechanical Polishing machine. 53

Fig. 30. Schematic of High-resolution X-ray Diffractometer principle. 55

Fig. 31. High-resolution X-ray Diffractometer. 55

Fig. 32. UV/VIS/NIR Spectrophotometer. 56

Fig. 33. Mercury Probe. 57

Fig. 34. Atomic Force Microscope. 58

Fig. 35. Oil Bath. 59

Fig. 36. Optical Microscope. 59

Fig. 37. 10mm thick β-Ga₂O₃ single crystals-1. 61

Fig. 38. 10mm thick β-Ga₂O₃ single crystals-2. 61

Fig. 39. Samples extracted from β-Ga₂O₃ single crystal A. 62

Fig. 40. Samples extracted from β-Ga₂O₃ single crystal B. 62

Fig. 41. Phase analysis results by surface direction. 64

Fig. 42. Full Width at Half Maximum analysis results by surface direction. 65

Fig. 43. Transmittance analysis results by surface direction. 67

Fig. 44. Carrier concentration analysis results by surface direction. 69

Fig. 45. 2D, 3D image analysis results by surface direction. 71

Fig. 46. Defect analysis results by surface direction. 74

Fig. 47. Defect of β-Ga₂O₃ in reference paper. 74

초록보기

 베타상 산화갈륨(β-Ga₂O₃)은 열역학적으로 가장 안정한 상으로 넓은 밴드 갭(~4.8eV)과 높은 절연 파괴 전압(8MV/cm) 등 우수한 물리적 특성을 가진 UWBG(Ultra Wide Band Gap) 물질로 고전압, 고주파, 고온, 저손실 등 높은 전력 효율을 요구하는 전력반도체용 소재로서 최근 주목받고 있다.β-Ga₂O₃은 SiC, GaN과 달리 액상이 존재하므로 에너지 효율이 높은 용액 성장법을 이용한 단결정 성장이 가능하다. 대표적인 용액 성장법에는 Edge-Defined Flim-Fed Growth(EFG), Czochralski(CZ), Floating Zone(FZ), Vertical Bridgman(VB) 등이 있으며, 그중 빠른 성장률, 대구경화, 높은 수율 및 결정 형상 제어가 가능하다는 특징을 가진 EFG 법을 본 연구의 성장법으로 채택했다.

본 연구에서는 다중 슬릿 구조를 이용한 EFG 법을 통해 SnO₂ 0.3mol% 도핑된 10mm 두께의 베타상 산화갈륨 단결정을 성장시키는 데 성공했다. 성장시킨 단결정을 다양한 각도로 절단하여 표면 가공을 진행하였으며 결정상 및 결정 품질, 전기적 특성, 표면 거칠기, 결함 형태 및 밀도 등을 비교 분석하여 HVPE 법을 이용한 동종 에피택셜 층을 성장시키기에 최적화된 기판의 면방향을 조사하였다. 본 연구는 고전력 및 고온 응용 분야에서 전력반도체 기술의 발전에 기여할 것으로 기대되며 에피택셜 층을 성장시키기에 더 나은 기판을 선택하는 것은 소자의 성능과 신뢰성을 향상시키는 데에 중요한 역할을 할 것이다.

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