[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 Ga₂O_3-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 Ga₂O_3-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 Ga₂O_3-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