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[임호준, 김동우 박사과정생, 문봉진 교수] 전력반도체 핵심소자 물질의 밴드갭 제어 방법 개발 – 공정과정에서의 화학·구조적 특성 조절을 통한 산화물의 밴드갭 제어 가능성 개척 (Applied Surface Science 논문게재)

그림. 후열처리로 인한 무정형 갈륨 산화물 박막의 구조적, 화학적, 광학적 성질의 변화

주사 전자 현미경법, X-선 회절법, 상압 광전자 분광법, 가시-자외선 분광법 등을 이용하여 산소 환경에서 후열처리 (post annealing)를 하는 동안 발생하는 비화학량론적 (non-stoichiometric) 갈륨 산화물 박막의 구조적, 화학적 변화를 관측하였다. X-선 회절법을 통해 무정형 (amorphous) 갈륨 산화물 박막은 사파이어(0001) 기판 위에 α와 β 상이 섞인 채로 켜쌓기 (epitaxial) 결정화함을 관측하였다. 상압 광전자 분광 결과는 비화학량론적 갈륨 산화물 박막이 Ga, GaO, Ga2O3의 상태로 구성되어 있으며, 후열처리로 인해 Ga2O 상이 Ga2O3 상으로 산화됨을 보여주었다. 후열처리동안 밴드갭은 초기 무정형 시료의 4.16eV에서 4.81eV로 점진적인 증가를 하였다. 이러한 결과는 라디오파 분말 스퍼터링법 (Radio-frequency powder sputtering)에 의해 증착된 비화학량론적 갈륨 산화물 박막의 화학 조성과 밴드갭 사이에 연관성이 있음을 시사한다.

The evolution of the structural and chemical properties of non-stoichiometric amorphous Ga2O3-x thin films during post-annealing in an atmospheric environment was investigated using scanning electron microscopy, X-ray diffraction, ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy (AP-XPS), and ultraviolet–visible light spectroscopy. The amorphous thin films were crystallized into a mixture of α and β phases that were epitaxial to the sapphire (0001) substrate. The AP-XPS results indicate that the non-stoichiometric state of the Ga2O3-x thin films is composed of metallic Ga, Ga2O, and Ga2O3. Ga and Ga2O are oxidized into Ga2O3, achieving a stoichiometric state during the post-annealing process. This gradually increases the optical bandgap from 4.16 eV for the as-grown sample to 4.81 eV for the sample annealed at 600 ℃. Our results support the relationship between the chemical composition and bandgap of non-stoichiometric Ga2O3-x films deposited by radio-frequency powder sputtering.

Authors: Hojoon Lim (FA, GIST), Dongwoo Kim (FA, GIST), Su Yeon Cha (Chosun Univ.), Bongjin Simon Mun (CA, GIST), Do Young Noh (GIST), Hyon Chol Kang (CA, Chosun Univ.)

Publication Date: 9 February 2022

Journal Link(DOI): https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.152771