최근, 자율주행 차, 항공 우주, 통신 등 다양한 산업 분야에서 고출력 및 고속 반도체 소자에 대한 수요가 증가하고 있다. 넓은 밴드갭 반도체 소재인 질화갈륨(GaN)와 탄화규소(SiC)는 규소(Silicon)에 비해 고전력 소자에 대한 우수한 물리적 및 전기적 특성으로 인해 상당한 관심을 받고 있다. 질화갈륨(GaN) 및 탄화규소(SiC)에 대한 연구 및 기술의 발전으로 다양한 분야에서 상용화 되고 있다. 물질 및 소자 성능의 엄청난 발전에도 불구하고, 산화갈륨(Ga2O3)은 질화갈륨(GaN) 및 탄화규소(SiC)를 넘어서는 고전력 반도체 소자의 유망한 후보로 간주되고 있다. 산화갈륨의 다섯 가지의 상 중 하나인 베타상 산화갈륨은 4.8 eV의 밴드갭을 가지고 있으며, 가장 안정적인 상이다. 이것은 초크랄스키 법(Czochralski method)과 플로팅존 법(Floating zone method) 등의 성장법을 통해 품질이 좋은 기판을 성장할 수 있어, 고품질 벌크 성장이 가능하다. 이러한 우수한 특징을 기반으로, 전계효과 트랜지스터(MOSFET), 쇼트키 장벽 다이오드(Schottky Barrier Diode) 등 여러 가지 소자로 응용되었다. 그러나, 베타상 산화갈륨의 낮은 열 방출 특성 때문에 소자의 효율 저하는 심각한 문제가 되었다. 이를 극복하기 위해 다른 기판을 통한 이종성장에 대해 많은 연구가 진행되었지만, 격자 불일치(lattice mismatch)로 인한 베타 상 산화갈륨의 품질 저하가 큰 문제가 되었다. 이를 해결하기 위해 사파이어와 같은 커런덤 구조(corundum strcture)의 알파 상 산화갈륨에 대한 이종 성장연구가 진행되었다. 알파 상 산화갈륨은 5.3 eV의 베타 상 산화갈륨보다 더 큰 밴드갭을 가지고 있다. 또한, 10MV/cm이 높은 항복 전기장 특성을 가지고있다. 추가적으로, 같은 커런덤 구조(corundum structure)의 p-타입 특성을 가지는 다른 산화물과의 접합을 통해 상대적으로 쉽게 p-n 접합을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 이것은 인듐(indium)과 알루미늄(Aluminum)의 밴드갭 엔지니어링을 통해 다양한 파장대에서 소자로 응용될 수 있다는 장점이 있다. 이러한 알파 상 산화갈륨은 분자 빔 에피택시(Molecular beam epitaxy), HVPE, 미스트 화학 기상 증착법 (Mist-CVD)에 의해 성장 된다. 이 중 HVPE를 이용한 성장은 다른 성장법보다 수 배 높은 성장률과 성장된 박막에서 높은 순도를 가진다.
본 연구에서는 HVPE를 이용하여 사파이어 기판 위에 알파상 산화갈륨의 성장에서 실리콘(Silicon) 유량에 따라 성장 경향을 확인하였다. 산화갈륨 성장 동안각각 실리콘(silicon)의 유량 0 sccm, 0.04 sccm, 0.08 sccm으로 주입되었다. 우리는 실리콘 도핑된 알파 상 산화갈륨의 표면적, 구조적, 광학적 특성을 분석하였다. 실리콘(silicon)의 유량은 0 sccm, 0.04 sccm, 0.08 sccm으로 주입되었다. 우리는 실리콘 도핑된 알파 상 산화갈륨의 표면적, 구조적, 광학적 특성을 분석하였다. 실리콘(silicon) 유량이 증가할수록 표면 거칠기 값이 50% 감소하는 것을 확인하였다. X선 회절에 의해 측정된 투세타-오메가(2theta-omega)를 통해 성장된 산화갈륨이 다른 상이 섞이지 않은 순수한 알파 상임을 확인 하였다. 또한, (0006)면과 (10-14)면의 반치폭 측정을 통해 실리콘 유량이 증가할수록 50% 결정성이 향상됨을 확인하였고, 이에 따라 전위밀도가 감소한 것을 확인하였다. 광학적 특성을 통해 성장된 산화갈륨의 투과도가 모두 80% 이상의 높은 투과도를 가지는 것을 확인하였다. 또한, 계산된 광학적 밴드갭은 5.18 eV로 이론적인 값인 5.3 eV와 유사한 값을 보이는 것을 확인하였다. 전기적 특성을 확인하기 위한 홀 효과 측정에서 실리콘 0.08 sccm에서 35.25㎠/V·s의 이동도, 4.19 x 1018cm-3의 캐리어 농도를 가진다. 이 결과, 실리콘 도핑 유량이 0.08 sccm에서 성장된 알파 상 산화갈륨에서 가장 표면 거칠기 및 결정성이 향상된 것을 확인하였고, 전자 농도 및 이동도에 영향을 주는 것을 확인하였다.
더 나아가, 쇼트키 장벽 다이오드 제작을 위해 가장 결정성 및 표면 특성이 좋았던 실리콘 0.08 sccm으로 도핑된 산화갈륨을 n+층으로 사용하였다. n+까지 성장된 구조 위에 각각 도핑되지 않은 산화갈륨과 실리콘 유량 0.02 sccm으로 약하게 도핑된 산화갈륨을 n-층으로 성장하였다. 제작된 쇼트키 장벽 다이오드의 전류 밀도-전압 커브에서 훌륭한 정류 특성을 가지는 것을 확인하였다. 추출된 온저항은 약 109Ω·㎠으로 매우 높은 저항을 가지는 것을 확인하였다. 포화 전류 밀도와 In (J)와 전압의 기울기로부터 추출된 쇼트키 장벽 길이와 이상계수는 1.02 eV와 1.16으로 계산되었다. 각 쇼트키 장벽 다이오드의 항복 전압은 양극과 음극의 거리가 40㎛일 때 가장 높은 값인 1428V 와 1500V로 측정되었다. 이전 보고에서, 알파 상 산화갈륨 기반 쇼트키 장벽 다이오드에서 측정된 항복 전압의 값이 500V임을 고려하였을 때 매우 높은 항복 전압 특성을 가지는 것으로 확인되었다. 그러나, 일반적인 알파 상 산화갈륨 기반 쇼트키 장벽 다이오드의 온저항은 mΩ 단위이며, 우리의 측정된 온저항에 비해 현저히 낮다. 높은 온저항 특성은 n-층을 이루고 있는 도핑되지 않은 산화갈륨과 약하게 도핑된 산화갈륨의 캐리어 농도가 매우 낮아 저항이 매우 높은 것으로 예상된다. 또한, 최적하되지 않은 금속의 오믹(ohmic) 조건 때문에, 금속과 반도체 사이에 접촉 저항이 매우 높은 것으로 보인다. 우리의 쇼트키 장벽 다이오드는 훌륭한 정류 특성과 높은 항복 전압 특성을 보이지만, 실리콘의 도핑 유량을 조절하고, 금속 조건 최적화를 통해 저항을 감소하여 전기적 특성을 개선하는 것이 필수적이다.