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KR102712919B1 - Manufacturing method of multilayer structure of gallium oxide polymorph and multilayer material of gallium oxide polymorph and semiconductor device structure using the same - Google Patents

Manufacturing method of multilayer structure of gallium oxide polymorph and multilayer material of gallium oxide polymorph and semiconductor device structure using the same Download PDF

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KR102712919B1
KR102712919B1 KR1020230190745A KR20230190745A KR102712919B1 KR 102712919 B1 KR102712919 B1 KR 102712919B1 KR 1020230190745 A KR1020230190745 A KR 1020230190745A KR 20230190745 A KR20230190745 A KR 20230190745A KR 102712919 B1 KR102712919 B1 KR 102712919B1
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KR
South Korea
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thin film
type
gallium oxide
band gap
forming
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KR1020230190745A
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Inventor
전대우
박지현
김형윤
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한국세라믹기술원
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Abstract

Ga2O3 결정상에 영향을 미치는 성장 온도 외에 전구체의 비를 조절하는 것에 의해, 600℃의 비교적 저온에서 순수한 β-Ga2O3 에피 성장이 가능하므로, 이를 활용하여 일반적으로 알려진 β-Ga2O3 성장 조건 보다 낮은 온도조건에서 상변형 없이 다층으로 구현할 수 있는 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법과 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체는 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막; 상기 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막 상에 적층된 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막; 및 상기 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막 사이에 개재되며, 상기 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막의 밴드갭 보다 낮은 밴드갭을 갖는 이종 산화갈륨 박막;을 포함하며, 상기 이종 산화갈륨 박막은 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성된 것을 특징으로 한다.In addition to the growth temperature affecting the Ga 2 O 3 crystal phase, pure β-Ga 2 O 3 epitaxial growth is possible at a relatively low temperature of 600°C by controlling the ratio of precursors. Therefore, by utilizing this, a method for forming a multilayer structure of gallium oxide polymorphs without phase transformation at a temperature lower than the generally known β-Ga 2 O 3 growth conditions is disclosed, as well as a multilayer material of gallium oxide polymorphs and a semiconductor device structure applying the same.
A multilayer material of a gallium oxide polymorph according to the present invention and a semiconductor device structure using the same include: a first n-type α-Ga 2 O 3 thin film; a second n-type α-Ga 2 O 3 thin film laminated on the first n-type α-Ga 2 O 3 thin film; and a heterogeneous gallium oxide thin film interposed between the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films and having a lower band gap than the band gaps of the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films; wherein the heterogeneous gallium oxide thin film is characterized in that it is formed by epitaxial growth at a temperature of 600°C or less.

Description

산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법과 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체{MANUFACTURING METHOD OF MULTILAYER STRUCTURE OF GALLIUM OXIDE POLYMORPH AND MULTILAYER MATERIAL OF GALLIUM OXIDE POLYMORPH AND SEMICONDUCTOR DEVICE STRUCTURE USING THE SAME}{MANUFACTURING METHOD OF MULTILAYER STRUCTURE OF GALLIUM OXIDE POLYMORPH AND MULTILAYER MATERIAL OF GALLIUM OXIDE POLYMORPH AND SEMICONDUCTOR DEVICE STRUCTURE USING THE SAME}

본 발명은 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법과 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Ga2O3 결정상에 영향을 미치는 성장 온도 외에 전구체의 비를 조절하는 것에 의해, 600℃의 비교적 저온에서 순수한 β-Ga2O3 에피 성장이 가능하므로, 이를 활용하여 일반적으로 알려진 β-Ga2O3 성장 조건 보다 낮은 온도조건에서 상변형 없이 다층으로 구현할 수 있는 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법과 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph, a multilayer material of a gallium oxide polymorph, and a semiconductor device structure applying the same. More specifically, since pure β-Ga 2 O 3 epitaxial growth is possible at a relatively low temperature of 600°C by controlling the ratio of precursors in addition to the growth temperature affecting the Ga 2 O 3 crystal phase, the present invention relates to a method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph, a multilayer material of a gallium oxide polymorph , and a semiconductor device structure applying the same, which can implement multilayers without phase transformation at a temperature condition lower than the generally known β-Ga 2 O 3 growth condition by utilizing this.

종래의 Si 기반 전력반도체 소자는 본질적인 물성한계로 인하여 기술발전 대비 성능개선의 한계에 도달하여 WBG(Wide bandgap)와 UWB(Ultra-wide bandgap) 특성을 갖는 전력반도체 소재의 산업적 필요성이 점점 확대되고 있다.Conventional Si-based power semiconductor devices have reached the limit of performance improvement compared to technological advancement due to inherent limitations in their physical properties, and the industrial need for power semiconductor materials with wide bandgap (WBG) and ultra-wide bandgap (UWB) characteristics is gradually increasing.

UWB 산화갈륨(Ga2O3)은 GaN 또는 SiC 대비 제조비용이 대략 1/3 ~ 1/5 수준으로 저렴하여 가격 경쟁력을 갖춘 차세대 전력반도체용 웨이퍼이다.UWB gallium oxide (Ga 2 O 3 ) is a next-generation power semiconductor wafer with price competitiveness, as its manufacturing cost is approximately 1/3 to 1/5 that of GaN or SiC.

특히, UWB 산화갈륨은 밴드갭(Bandgap)에 의한 내 항복전압 특성에 의해 같은 항복전압을 가지기 위해서 박막의 두께를 대략 1/3 정도로 얇게 성장할 수 있을 뿐만 아니라, 고온 성장이 아니므로 이에 따른 비용이 절감될 수 있다.In particular, UWB gallium oxide can be grown to a thin film thickness of about 1/3 to have the same breakdown voltage due to its breakdown voltage characteristic caused by the bandgap, and since it is not grown at high temperature, the cost can be reduced accordingly.

산화갈륨 에피 기술은 베타 산화갈륨(β-Ga2O3)기판 위에 동종의 베타 산화갈륨 단결정층을 성장하거나, 사파이어 등 이종기판 위에 알파 산화갈륨(α-Ga2O3) 단결정층을 성장하는 기술로, 고품위의 단결정층을 얻기 위한 기술과 n 타입(n-type) 특성을 얻기 위한 도핑 기술을 포함한다.Gallium oxide epitaxial technology is a technology for growing a homogeneous beta gallium oxide (β- Ga2O3 ) single crystal layer on a beta gallium oxide (β- Ga2O3 ) substrate, or an alpha gallium oxide (α- Ga2O3 ) single crystal layer on a heterogeneous substrate such as sapphire, and includes technology for obtaining a high-quality single crystal layer and doping technology for obtaining n-type characteristics.

산화갈륨(Ga2O3)은 각 상에 따라 서로 다른 밴드갭(band gap)을 가지고 있다. 예를 들어, α-Ga2O3는 대략 5.3eV, β-Ga2O3는 대략 4.9eV, 그리고 κ-Ga2O3는 대략 4.7eV을 갖는다.Gallium oxide (Ga 2 O 3 ) has different band gaps depending on each phase. For example, α-Ga 2 O 3 has approximately 5.3 eV, β-Ga 2 O 3 has approximately 4.9 eV, and κ-Ga 2 O 3 has approximately 4.7 eV.

일반적으로, Ga2O3 에피는 성장 온도에 따라 상이 결정되지만, 에피가 특정상으로 성장되었다 하더라도 900℃ 이상의 고온 열처리에 의해 β-Ga2O3 으로의 상전이(phase transition)가 일어난다.In general, the phase of Ga 2 O 3 epitaxial is determined by the growth temperature, but even if the epitaxial is grown in a specific phase, a phase transition to β-Ga 2 O 3 occurs by high-temperature heat treatment at 900°C or higher.

따라서, 다층구조로 다양한 상을 성장하더라도 β-Ga2O3 가 성장되는 고온조건에서는 성장 온도에 의한 혼합상(mixed phase)이 발생할 우려가 있다.Therefore, even if various phases are grown in a multilayer structure, there is a concern that a mixed phase may occur due to the growth temperature under the high-temperature conditions under which β-Ga 2 O 3 is grown.

관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2022-0137635호(2022.10.12. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 결정성 산화물 반도체막 및 산화갈륨막의 제조 방법, 그리고 세로형 반도체 장치의 제조 방법이 기재되어 있다.Related prior art literature includes Korean Patent Publication No. 10-2022-0137635 (published on October 12, 2022), which describes a method for manufacturing a crystalline oxide semiconductor film and a gallium oxide film, and a method for manufacturing a vertical semiconductor device.

본 발명의 목적은 Ga2O3 결정상에 영향을 미치는 성장 온도 외에 전구체의 비를 조절하는 것에 의해, 600℃의 비교적 저온에서 순수한 β-Ga2O3 에피 성장이 가능하므로, 이를 활용하여 일반적으로 알려진 β-Ga2O3 성장 조건 보다 낮은 온도조건에서 상변형 없이 다층으로 구현할 수 있는 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법과 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체를 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a method for forming a multilayer structure of gallium oxide polymorph which can be implemented as a multilayer without phase transformation at a temperature lower than the generally known β-Ga 2 O 3 growth conditions by controlling the ratio of precursors in addition to the growth temperature which affects the Ga 2 O 3 crystal phase , and a multilayer material of gallium oxide polymorph and a semiconductor device structure applying the same.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체는 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막; 상기 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막 상에 적층된 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막; 및 상기 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막 사이에 개재되며, 상기 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막의 밴드갭 보다 낮은 밴드갭을 갖는 이종 산화갈륨 박막;을 포함하며, 상기 이종 산화갈륨 박막은 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a multilayer material of a gallium oxide polymorph according to a first embodiment of the present invention and a semiconductor device structure using the same include: a first n-type α-Ga 2 O 3 thin film; a second n-type α-Ga 2 O 3 thin film laminated on the first n-type α-Ga 2 O 3 thin film; and a heterogeneous gallium oxide thin film interposed between the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films and having a lower band gap than the band gaps of the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films; wherein the heterogeneous gallium oxide thin film is formed by epitaxial growth at a temperature of 600°C or less.

상기 이종 산화갈륨 박막은 β-Ga2O3 박막 또는 κ-Ga2O3 박막인 것이 바람직하다.It is preferable that the above heterogeneous gallium oxide thin film is a β-Ga 2 O 3 thin film or a κ-Ga 2 O 3 thin film.

상기 이종 산화갈륨 박막은 4.8 ~ 5.0eV의 밴드갭을 갖는 β-Ga2O3 박막이고, 상기 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막 각각은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖는다.The above hetero-gallium oxide thin film is a β-Ga 2 O 3 thin film having a band gap of 4.8 to 5.0 eV, and each of the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films has a band gap of 5.1 to 5.4 eV.

상기 이종 산화갈륨 박막은 4.6 ~ 4.8eV의 밴드갭을 갖는 κ-Ga2O3 박막이고, 상기 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막 각각은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖는다.The above hetero-gallium oxide thin film is a κ-Ga 2 O 3 thin film having a band gap of 4.6 to 4.8 eV, and each of the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films has a band gap of 5.1 to 5.4 eV.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체는 α-Ga2O3 박막; 상기 α-Ga2O3 박막 상에 적층된 β-Ga2O3 박막; 및 상기 β-Ga2O3 박막 상에 적층된 κ-Ga2O3 박막;을 포함하고, 상기 β-Ga2O3 박막 및 κ-Ga2O3 박막 각각은 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성된 것을 특징으로 한다.According to a second embodiment of the present invention for achieving the above object, a multilayer material of a gallium oxide polymorph and a semiconductor device structure applying the same include: an α-Ga 2 O 3 thin film; a β-Ga 2 O 3 thin film laminated on the α-Ga 2 O 3 thin film; and a κ-Ga 2 O 3 thin film laminated on the β-Ga 2 O 3 thin film; wherein each of the β-Ga 2 O 3 thin film and the κ-Ga 2 O 3 thin film is formed by epitaxial growth at a temperature of 600°C or less.

상기 α-Ga2O3 박막은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖고, 상기 β-Ga2O3 박막은 4.8 ~ 5.0eV의 밴드갭을 갖고, 상기 κ-Ga2O3 박막은 4.6 ~ 4.8eV의 밴드갭을 갖는다.The above α-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 5.1 to 5.4 eV, the above β-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 4.8 to 5.0 eV, and the above κ-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 4.6 to 4.8 eV.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제3 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체는 n-타입 α-Ga2O3 박막; 상기 n-타입 α-Ga2O3 박막 상에 κ-Ga2O3 박막 및 α-Ga2O3 박막이 수직 방향으로 교번적으로 적어도 2회 이상 적층된 이종 산화갈륨 적층 구조물; 및 상기 이종 산화갈륨 적층 구조물 상에 적층된 p-타입 박막;을 포함하며, 상기 κ-Ga2O3 박막은 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성된 것을 특징으로 한다.According to a third embodiment of the present invention for achieving the above object, a multilayer material of a gallium oxide polymorph and a semiconductor device structure applying the same include: an n-type α-Ga 2 O 3 thin film; a heterogeneous gallium oxide layered structure in which a κ-Ga 2 O 3 thin film and an α-Ga 2 O 3 thin film are alternately layered at least twice in a vertical direction on the n-type α-Ga 2 O 3 thin film; and a p-type thin film layered on the heterogeneous gallium oxide layered structure; wherein the κ-Ga 2 O 3 thin film is characterized in that it is formed by epitaxial growth at a temperature of 600° C. or lower.

상기 n-타입 α-Ga2O3 박막은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖고, 상기 κ-Ga2O3 박막은 4.6 ~ 4.8eV의 밴드갭을 갖고, 상기 α-Ga2O3 박막은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖는다.The above n-type α-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 5.1 to 5.4 eV, the above κ-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 4.6 to 4.8 eV, and the above α-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 5.1 to 5.4 eV.

상기 p-타입 박막은 산화갈륨과 p-n 접합을 확보할 수 있는 NiO, CuO 및 IrO을 포함하는 산화물 및 GaN을 포함하는 질화물 중 어느 하나로 형성된다.The above p-type thin film is formed of any one of an oxide including NiO, CuO and IrO capable of securing a p-n junction with gallium oxide and a nitride including GaN.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법은 기판 상에 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막을 형성하는 단계; 상기 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막 상에 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막의 밴드갭 보다 낮은 밴드갭을 갖는 이종 산화갈륨 박막을 형성하는 단계; 및 상기 이종 산화갈륨 박막 상에 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 이종 산화갈륨 박막은 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성하는 것을 특징으로 한다.According to a first embodiment of the present invention for achieving the above object, a method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph comprises the steps of: forming a first n-type α-Ga 2 O 3 thin film on a substrate; forming a heterogeneous gallium oxide thin film having a lower band gap than the band gap of the first n-type α-Ga 2 O 3 thin film on the first n-type α-Ga 2 O 3 thin film; and forming a second n-type α-Ga 2 O 3 thin film on the heterogeneous gallium oxide thin film; wherein the heterogeneous gallium oxide thin film is formed by epitaxial growth at a temperature of 600° C. or lower.

상기 이종 산화갈륨 박막은 β-Ga2O3 박막 또는 κ-Ga2O3 박막인 것이 바람직하다.It is preferable that the above heterogeneous gallium oxide thin film is a β-Ga 2 O 3 thin film or a κ-Ga 2 O 3 thin film.

상기 이종 산화갈륨 박막은 4.8 ~ 5.0eV의 밴드갭을 갖는 β-Ga2O3 박막이고, 상기 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막 각각은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖는다.The above hetero-gallium oxide thin film is a β-Ga 2 O 3 thin film having a band gap of 4.8 to 5.0 eV, and each of the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films has a band gap of 5.1 to 5.4 eV.

상기 이종 산화갈륨 박막은 4.6 ~ 4.8eV의 밴드갭을 갖는 κ-Ga2O3 박막이고, 상기 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막 각각은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖는다.The above hetero-gallium oxide thin film is a κ-Ga 2 O 3 thin film having a band gap of 4.6 to 4.8 eV, and each of the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films has a band gap of 5.1 to 5.4 eV.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법은 기판 상에 α-Ga2O3 박막을 형성하는 단계; 상기 α-Ga2O3 박막 상에 β-Ga2O3 박막을 형성하는 단계; 및 상기 β-Ga2O3 박막 상에 κ-Ga2O3 박막을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 β-Ga2O3 박막 및 κ-Ga2O3 박막 각각은 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성하는 것을 특징으로 한다.According to a second embodiment of the present invention for achieving the above object, a method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph comprises the steps of: forming an α-Ga 2 O 3 thin film on a substrate; forming a β-Ga 2 O 3 thin film on the α-Ga 2 O 3 thin film; and forming a κ-Ga 2 O 3 thin film on the β-Ga 2 O 3 thin film; wherein each of the β-Ga 2 O 3 thin film and the κ-Ga 2 O 3 thin film is formed by epitaxial growth at a temperature of 600° C. or lower.

상기 α-Ga2O3 박막은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖고, 상기 β-Ga2O3 박막은 4.8 ~ 5.0eV의 밴드갭을 갖고, 상기 κ-Ga2O3 박막은 4.6 ~ 4.8eV의 밴드갭을 갖는다.The above α-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 5.1 to 5.4 eV, the above β-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 4.8 to 5.0 eV, and the above κ-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 4.6 to 4.8 eV.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제3 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법은 기판 상에 n-타입 α-Ga2O3 박막을 형성하는 단계; 상기 n-타입 α-Ga2O3 박막 상에 κ-Ga2O3 박막 및 α-Ga2O3 박막을 수직 방향으로 교번적으로 적어도 2회 이상 적층하여 이종 산화갈륨 적층 구조물을 형성하는 단계; 및 상기 α-Ga2O3 박막 상에 p-타입 박막을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 κ-Ga2O3 박막은 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성하는 것을 특징으로 한다.According to a third embodiment of the present invention for achieving the above object, a method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph comprises the steps of: forming an n-type α-Ga 2 O 3 thin film on a substrate; forming a hetero-gallium oxide layered structure by alternately stacking a κ-Ga 2 O 3 thin film and an α-Ga 2 O 3 thin film at least twice in a vertical direction on the n-type α-Ga 2 O 3 thin film; and forming a p-type thin film on the α-Ga 2 O 3 thin film. The κ-Ga 2 O 3 thin film is characterized in that it is formed by epitaxial growth at a temperature of 600° C. or lower.

상기 n-타입 α-Ga2O3 박막은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖고, 상기 κ-Ga2O3 박막은 4.6 ~ 4.8eV의 밴드갭을 갖고, 상기 α-Ga2O3 박막은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖는다.The above n-type α-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 5.1 to 5.4 eV, the above κ-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 4.6 to 4.8 eV, and the above α-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 5.1 to 5.4 eV.

상기 p-타입 박막은 산화갈륨과 p-n 접합을 확보할 수 있는 NiO, CuO 및 IrO을 포함하는 산화물 및 GaN을 포함하는 질화물 중 어느 하나로 형성된다.The above p-type thin film is formed of any one of an oxide including NiO, CuO and IrO capable of securing a p-n junction with gallium oxide and a nitride including GaN.

본 발명에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법과 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체는 Ga2O3 결정상에 영향을 미치는 성장 온도 외에 전구체의 비를 조절하는 것에 의해, 600℃의 비교적 저온에서 순수한 β-Ga2O3 에피 성장이 가능하므로, 이를 활용하여 일반적으로 알려진 β-Ga2O3 성장 조건 보다 낮은 온도조건에서 상변형 없이 다층으로 구현할 수 있다.The method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph according to the present invention and the multilayer material of a gallium oxide polymorph and the semiconductor device structure applying the same enable pure β-Ga 2 O 3 epitaxial growth at a relatively low temperature of 600°C by controlling the ratio of precursors in addition to the growth temperature affecting the Ga 2 O 3 crystal phase. Therefore, by utilizing this, it is possible to implement a multilayer without phase transformation at a temperature condition lower than the generally known β-Ga 2 O 3 growth conditions.

따라서, 본 발명에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법과 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체는 다양한 상을 상전이 없이 다층(multi layer)으로 쌓음으로써, 다양한 밴드 구조를 가지는 에피 소재를 구현할 수 있다.Therefore, the method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph according to the present invention, the multilayer material of the gallium oxide polymorph, and the semiconductor device structure using the same can implement an epi material having various band structures by stacking various phases in multilayers without phase transition.

즉, 본 발명에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법과 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체는 밴드갭 엔지니어링을 통한 n-i-n 구조의 광 검출기에 응용할 수 있으며, 그 구조는 α-Ga2O3 / κ-Ga2O3 / α-Ga2O3, α-Ga2O3 / β-Ga2O3 / α-Ga2O3 그리고 α-Ga2O3 / poly-Ga2O3 / α-Ga2O3 등의 밴드갭 차이를 이용한 양자 우물(quantum well) 구조를 가질 수 있는 모든 조합을 포함할 수 있다.That is, the method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph according to the present invention, the multilayer material of the gallium oxide polymorph, and the semiconductor device structure applying the same can be applied to a photodetector of a nin structure through bandgap engineering, and the structure can include all combinations that can have a quantum well structure utilizing the bandgap difference, such as α-Ga 2 O 3 / κ - Ga 2 O 3 / α-Ga 2 O 3 , α-Ga 2 O 3 / β-Ga 2 O 3 / α-Ga 2 O 3 , and α-Ga 2 O 3 / poly-Ga 2 O 3 / α-Ga 2 O 3.

또한, 본 발명에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법과 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체는 n-type α-Ga2O3 / α-Ga2O3 또는 n-type κ-Ga2O3 / κ-Ga2O3, n-type β-Ga2O3 /β-Ga2O3 조합을 활용한 멀티 양자우물(multi-quantum well) / p-type 박막의 구조를 이용한 UV-LED 또는 UV 레이저에 응용할 수 있다.In addition, the method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph according to the present invention, the multilayer material of the gallium oxide polymorph, and the semiconductor device structure applying the same can be applied to a UV-LED or UV laser using a multi-quantum well/p-type thin film structure utilizing a combination of n-type α-Ga 2 O 3 / α-Ga 2 O 3 or n-type κ-Ga 2 O 3 / κ - Ga 2 O 3 , n-type β-Ga 2 O 3 /β-Ga 2 O 3.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예의 변형예 에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 8 내지 도 10은 C-플레인 사파이어 기판 상에 CVD 기반의 에피 성장법을 이용하여 각기 다른 상으로 성장시킨 Ga2O3의 XRD 및 락킹 커브(rocking curve) 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 11 내지 도 13은 실시예 1 ~ 3에 따라 제조된 다층 구조물의 단면을 촬영하여 나타낸 SEM 및 OM 사진.FIG. 1 is a cross-sectional view showing a multilayer material of a gallium oxide polymorph according to a first embodiment of the present invention and a semiconductor device structure using the same.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a multilayer material of a gallium oxide polymorph according to a modified example of the first embodiment of the present invention and a semiconductor device structure using the same.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a multilayer material of a gallium oxide polymorph according to a second embodiment of the present invention and a semiconductor device structure using the same.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a multilayer material of a gallium oxide polymorph according to a third embodiment of the present invention and a semiconductor device structure using the same.
Figure 5 is a process flow diagram showing a method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph according to the first embodiment of the present invention.
Figure 6 is a process flow diagram showing a method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph according to a second embodiment of the present invention.
Figure 7 is a process flow diagram showing a method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph according to a third embodiment of the present invention.
Figures 8 to 10 are graphs showing the results of XRD and rocking curve measurements of Ga 2 O 3 grown in different phases using a CVD-based epitaxial growth method on a C-plane sapphire substrate.
Figures 11 to 13 are SEM and OM photographs showing cross-sections of multilayer structures manufactured according to Examples 1 to 3.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.The advantages and features of the present invention, and the methods for achieving them, will become clearer with reference to the embodiments described in detail below together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and the present embodiments are provided only to make the disclosure of the present invention complete and to fully inform those skilled in the art of the scope of the invention, and the present invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법과 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, a method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph according to preferred embodiments of the present invention, a multilayer material of the gallium oxide polymorph, and a semiconductor device structure using the same will be described in detail.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체를 나타낸 단면도이다.FIG. 1 is a cross-sectional view showing a multilayer material of a gallium oxide polymorph according to a first embodiment of the present invention and a semiconductor device structure using the same.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체(100)는 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막(120), 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막(160) 및 β-Ga2O3 박막(140)을 포함한다.Referring to FIG. 1, a multilayer material of a gallium oxide polymorph according to a first embodiment of the present invention and a semiconductor device structure (100) using the same include a first n-type α-Ga 2 O 3 thin film (120), a second n-type α-Ga 2 O 3 thin film (160), and a β-Ga 2 O 3 thin film (140).

제1 n-타입 α-Ga2O3 박막(120)은 이종 재질의 기판 상에 형성될 수 있다. 여기서, 기판은 사파이어, SiC, GaN, Si 등과 이를 2 ~ 12°로 오프 컷(off cut)한 기판 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있다.The first n-type α-Ga 2 O 3 thin film (120) can be formed on a substrate of a heterogeneous material. Here, the substrate can be any one selected from among sapphire, SiC, GaN, Si, and a substrate cut off by 2 to 12°.

제1 n-타입 α-Ga2O3 박막(120)은 α-Ga2O3 박막에 n 타입의 불순물로서 Si가 도핑된 것이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 예로, n 타입의 불순물 도핑을 위해, 도핑 가스는 SiH4 2,000ppm 가스를 이용하여 1 ~ 20sccm을 공급할 수 있다. 여기서, 주입되는 가스량은 준비된 가스의 농도에 따라 다르게 적용될 수 있다. 즉, HVPE 장비의 반응 리액터에 따라 가스 농도 및 가스량은 달라질 수 있다.The first n-type α-Ga 2 O 3 thin film (120) may be an α-Ga 2 O 3 thin film doped with Si as an n-type impurity, but is not limited thereto. For example, for n-type impurity doping, a doping gas may be supplied at 1 to 20 sccm using SiH 4 2,000 ppm gas. Here, the amount of gas injected may be applied differently depending on the concentration of the prepared gas. That is, the gas concentration and gas amount may vary depending on the reaction reactor of the HVPE equipment.

제2 n-타입 α-Ga2O3 박막(160)은 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막(120) 상에 적층된다.A second n-type α-Ga 2 O 3 thin film (160) is laminated on the first n-type α-Ga 2 O 3 thin film (120).

제2 n-타입 α-Ga2O3 박막(160)은, 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막(120)과 마찬가지로, α-Ga2O3 박막에 n 타입의 불순물로서 Si가 도핑된 것이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The second n-type α-Ga 2 O 3 thin film (160) may be, like the first n-type α-Ga 2 O 3 thin film (120), an α-Ga 2 O 3 thin film doped with Si as an n-type impurity, but is not limited thereto.

β-Ga2O3 박막(140)은 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막(120, 160)과 상이한 상을 갖는 이종 산화갈륨 박막으로, 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막(120, 160) 사이에 개재된다. β-Ga2O3 박막(140)은 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막(120, 160)의 밴드갭 보다 낮은 밴드갭을 갖는다.The β-Ga 2 O 3 thin film (140) is a heterogeneous gallium oxide thin film having a different phase from the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films (120, 160) and is interposed between the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films (120, 160). The β-Ga 2 O 3 thin film (140) has a lower band gap than the band gaps of the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films (120, 160).

보다 구체적으로, β-Ga2O3 박막(140)은 4.8 ~ 5.0eV의 밴드갭을 갖고, 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막(120, 160) 각각은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖는다.More specifically, the β-Ga 2 O 3 thin film (140) has a band gap of 4.8 to 5.0 eV, and each of the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films (120, 160) has a band gap of 5.1 to 5.4 eV.

β-Ga2O3 박막(140)은 700℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성된다.The β-Ga 2 O 3 thin film (140) is formed by epitaxial growth at a temperature below 700°C.

이에 따라, 본 발명의 제1 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체(100)는 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막(120), β-Ga2O3 박막(140) 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막(160)이 차례로 적층되어, 단일 양자 우물 구조(Single quantum well structure)를 갖는 n-i-n 광검출기(n-i-n photodetector)로 활용될 수 있다.Accordingly, the multilayer material of gallium oxide polymorph according to the first embodiment of the present invention and the semiconductor device structure (100) using the same can be utilized as a nin photodetector having a single quantum well structure by sequentially stacking a first n-type α-Ga 2 O 3 thin film (120), a β- Ga 2 O 3 thin film (140), and a second n-type α-Ga 2 O 3 thin film (160).

이와 같이, Ga2O3 에피는 다양한 이종 기판에서 온도 조건과 VI족 및 Ⅲ족 전구체의 비율 조절을 통해 다양한 상의 성장이 가능하다. 여기서, 증착 가스를 흘려주는 조건은 장비의 메인 챔버의 용량에 따라 차이가 있을 수 있으며, VI족 및 Ⅲ족 전구체의 비율은 2 ~ 1,000까지 변화시켜 적용할 수 있다. VI족 전구체는 O2, N2O 및 H2O 중 선택된 하나 이상을 포함할 수 있고, Ⅲ족 전구체는 트리메틸갈륨(TMGa) 및 트리에틸갈륨(TEGa) 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.In this way, Ga 2 O 3 epitaxial growth of various phases is possible by controlling the temperature conditions and the ratio of group VI and group III precursors on various heterogeneous substrates. Here, the conditions for flowing the deposition gas may vary depending on the capacity of the main chamber of the equipment, and the ratio of group VI and group III precursors can be applied by changing it from 2 to 1,000. The group VI precursor may include at least one selected from O 2 , N 2 O, and H 2 O, and the group III precursor may include at least one selected from trimethylgallium (TMGa) and triethylgallium (TEGa).

즉, α-Ga2O3의 경우에는 400 ~ 500℃의 성장온도 조건에서 성장 가능하며, κ-Ga2O3와 β-Ga2O3는 VI족 및 Ⅲ족 전구체의 비율을 조절하여 상대적으로 낮은 온도인 600℃ 내외에서 상 제어가 가능해질 수 있고, 800℃ 이하에서 적절한 공정 온도를 선택하여 상 제어가 가능해질 수 있게 된다.That is, in the case of α-Ga 2 O 3 , growth is possible under growth temperature conditions of 400 to 500°C, and for κ-Ga 2 O 3 and β-Ga 2 O 3 , phase control is possible at a relatively low temperature of around 600°C by adjusting the ratio of group VI and group III precursors, and phase control is possible by selecting an appropriate process temperature below 800°C.

또한, 성장한 α-Ga2O3 에피는 800℃의 열처리 후에도 상전이가 발생하지 않으므로 κ-Ga2O3 와 β-Ga2O3의 성장온도 조건은 800℃ 이하의 온도에서 수행되는 것이 바람직하며, 이러한 공정 기술을 통해 적절한 온도 범위 내에서 α-, κ- 및 β-의 3가지 상을 다양한 조건의 다층 구조로 성장할 수 있다.In addition, since the grown α-Ga 2 O 3 epi does not undergo phase transition even after heat treatment at 800°C, it is desirable that the growth temperature conditions for κ-Ga 2 O 3 and β-Ga 2 O 3 be performed at a temperature below 800°C, and through this process technology, three phases of α-, κ-, and β- can be grown in a multilayer structure under various conditions within an appropriate temperature range.

이러한 다층 구조 성장은 결정성이 뛰어난 에피층 뿐만 아니라, 스퍼터 등의 PVD(Physical Vapor Deposition) 장비를 이용하여 비정질 또는 다결정 구조의 Ga2O3 층도 응용될 수 있다.This multilayer structure growth can be applied not only to epilayers with excellent crystallinity, but also to amorphous or polycrystalline Ga 2 O 3 layers using PVD (Physical Vapor Deposition) equipment such as sputtering.

한편, 도 2는 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체를 나타낸 단면도이다.Meanwhile, FIG. 2 is a cross-sectional view showing a multilayer material of a gallium oxide polymorph according to a modified example of the first embodiment of the present invention and a semiconductor device structure using the same.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체(100)는 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막(120), 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막(160) 및 κ-Ga2O3 박막(150)을 포함한다. 이때, 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막(120, 160)은 제1 실시예의 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막(120, 160)과 실질적으로 동일하므로, 중복 설명은 생략하고 차이점 위주로 설명하도록 한다.Referring to FIG. 2, a multilayer material of a gallium oxide polymorph according to a modified example of the first embodiment of the present invention and a semiconductor device structure (100) using the same include a first n-type α-Ga 2 O 3 thin film (120), a second n-type α-Ga 2 O 3 thin film (160), and a κ-Ga 2 O 3 thin film (150). At this time, the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films (120, 160) according to the modified example of the first embodiment of the present invention are substantially the same as the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films (120, 160) of the first embodiment, and therefore, redundant descriptions will be omitted and descriptions will be focused on differences.

κ-Ga2O3 박막(150)은 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막(120, 160)과 상이한 상을 갖는 이종 산화갈륨 박막으로, 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막(120, 160) 사이에 개재된다. κ-Ga2O3 박막(150)은 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막(120, 160)의 밴드갭 보다 낮은 밴드갭을 갖는다.The κ-Ga 2 O 3 thin film (150) is a hetero-gallium oxide thin film having a different phase from the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films (120, 160) and is interposed between the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films (120, 160). The κ-Ga 2 O 3 thin film (150) has a lower band gap than the band gaps of the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films (120, 160).

보다 구체적으로, κ-Ga2O3 박막(150)은 4.6 ~ 4.8eV의 밴드갭을 갖고, 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막(120, 160) 각각은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖는다.More specifically, the κ-Ga 2 O 3 thin film (150) has a band gap of 4.6 to 4.8 eV, and each of the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films (120, 160) has a band gap of 5.1 to 5.4 eV.

κ-Ga2O3 박막(150)은 700℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성되고, 보다 바람직하게는 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성된다.The κ-Ga 2 O 3 thin film (150) is formed by epitaxial growth at a temperature of 700°C or lower, more preferably, by epitaxial growth at a temperature of 600°C or lower.

이에 따라, 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체(100)는 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막(120), κ-Ga2O3 박막(150) 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막(160)이 차례로 적층되어, 단일 양자 우물 구조(Single quantum well structure)를 갖는 n-i-n 광검출기(n-i-n photodetector)로 활용될 수 있다.Accordingly, a multilayer material of a gallium oxide polymorph according to a modified example of the first embodiment of the present invention and a semiconductor device structure (100) using the same can be utilized as a nin photodetector having a single quantum well structure by sequentially stacking a first n-type α-Ga 2 O 3 thin film (120), a κ-Ga 2 O 3 thin film (150), and a second n-type α- Ga 2 O 3 thin film (160).

한편, 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체를 나타낸 단면도이다.Meanwhile, FIG. 3 is a cross-sectional view showing a multilayer material of a gallium oxide polymorph according to the second embodiment of the present invention and a semiconductor device structure using the same.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체(200)는 α-Ga2O3 박막(220), β-Ga2O3 박막(240) 및 κ-Ga2O3 박막(260)을 포함한다.Referring to FIG. 3, a multilayer material of a gallium oxide polymorph according to the second embodiment of the present invention and a semiconductor device structure (200) using the same include an α-Ga 2 O 3 thin film (220), a β-Ga 2 O 3 thin film (240), and a κ-Ga 2 O 3 thin film (260).

α-Ga2O3 박막(220)은 이종 재질의 기판 상에 형성될 수 있다. 여기서, 기판은 사파이어, SiC, GaN, Si 등과 이를 2 ~ 12°로 오프 컷(off cut)한 기판 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있다.The α-Ga 2 O 3 thin film (220) can be formed on a substrate of different materials. Here, the substrate can be any one selected from among sapphire, SiC, GaN, Si, and a substrate cut off by 2 to 12°.

β-Ga2O3 박막(240)은 α-Ga2O3 박막(220) 상에 적층되고, κ-Ga2O3 박막(260)은 β-Ga2O3 박막(240) 상에 적층된다.The β-Ga 2 O 3 thin film (240) is laminated on the α-Ga 2 O 3 thin film (220), and the κ-Ga 2 O 3 thin film (260) is laminated on the β-Ga 2 O 3 thin film (240).

이때, α-Ga2O3 박막(220)은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖고, β-Ga2O3 박막(240)은 4.8 ~ 5.0eV의 밴드갭을 갖고, κ-Ga2O3 박막(260)은 4.6 ~ 4.8eV의 밴드갭을 갖는다.At this time, the α-Ga 2 O 3 thin film (220) has a band gap of 5.1 to 5.4 eV, the β-Ga 2 O 3 thin film (240) has a band gap of 4.8 to 5.0 eV, and the κ-Ga 2 O 3 thin film (260) has a band gap of 4.6 to 4.8 eV.

여기서, β-Ga2O3 박막(240) 및 κ-Ga2O3 박막(260) 각각은 700℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성되고, 보다 바람직하게는 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성된다.Here, each of the β-Ga 2 O 3 thin film (240) and the κ-Ga 2 O 3 thin film (260) is formed by epitaxial growth at a temperature of 700° C. or lower, and more preferably, by epitaxial growth at a temperature of 600° C. or lower.

이와 같이, Ga2O3 에피는 다양한 이종 기판에서 온도 조건과 VI족 및 Ⅲ족 전구체의 비율 조절을 통해 다양한 상의 성장이 가능하다. 여기서, 증착 가스를 흘려주는 조건은 장비의 메인 챔버의 용량에 따라 차이가 있을 수 있으며, VI족 및 Ⅲ족 전구체의 비율은 2 ~ 1,000까지 변화시켜 적용할 수 있다.In this way, Ga 2 O 3 epitaxial growth of various phases is possible by controlling temperature conditions and the ratio of group VI and group III precursors on various heterogeneous substrates. Here, the conditions for flowing the deposition gas may vary depending on the capacity of the main chamber of the equipment, and the ratio of group VI and group III precursors can be applied by changing it from 2 to 1,000.

즉, α-Ga2O3의 경우에는 400 ~ 500℃의 성장온도 조건에서 성장 가능하며, κ-Ga2O3와 β-Ga2O3는 VI족 및 Ⅲ족 전구체의 비율을 조절하여 상대적으로 낮은 온도인 600℃ 내외에서 상 제어가 가능해질 수 있고, 800℃ 이하에서 적절한 공정 온도를 선택하여 상 제어가 가능해질 수 있게 된다.That is, in the case of α-Ga 2 O 3 , growth is possible under growth temperature conditions of 400 to 500°C, and for κ-Ga 2 O 3 and β-Ga 2 O 3 , phase control is possible at a relatively low temperature of around 600°C by adjusting the ratio of group VI and group III precursors, and phase control is possible by selecting an appropriate process temperature below 800°C.

또한, 성장한 α-Ga2O3 에피는 800℃의 열처리 후에도 상전이가 발생하지 않으므로 κ-Ga2O3 와 β-Ga2O3의 성장온도 조건은 800℃ 이하의 온도에서 수행되는 것이 바람직하며, 이러한 공정 기술을 통해 적절한 온도 범위 내에서 α-, κ- 및 β-의 3가지 상을 다양한 조건의 다층 구조로 성장할 수 있다.In addition, since the grown α-Ga 2 O 3 epi does not undergo phase transition even after heat treatment at 800°C, it is desirable that the growth temperature conditions for κ-Ga 2 O 3 and β-Ga 2 O 3 be performed at a temperature below 800°C, and through this process technology, three phases of α-, κ-, and β- can be grown in a multilayer structure under various conditions within an appropriate temperature range.

이에 따라, 본 발명의 제2 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체(200)는 α-Ga2O3 박막(220), β-Ga2O3 박막(240) 및 κ-Ga2O3 박막(260)이 차례로 적층되어, 탠덤 구조를 갖는 태양전지(solar cell) 또는 광검출기(photodetector)로 활용될 수 있다.Accordingly, the multilayer material of gallium oxide polymorph according to the second embodiment of the present invention and the semiconductor device structure (200) using the same can be utilized as a solar cell or photodetector having a tandem structure in which an α-Ga 2 O 3 thin film (220), a β-Ga 2 O 3 thin film (240), and a κ-Ga 2 O 3 thin film (260) are sequentially laminated.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체를 나타낸 단면도이다.FIG. 4 is a cross-sectional view showing a multilayer material of a gallium oxide polymorph according to a third embodiment of the present invention and a semiconductor device structure using the same.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체(300)는 n-타입 α-Ga2O3 박막(320), 이종 산화갈륨 적층 구조물(350) 및 p-타입 박막(380)을 포함한다.Referring to FIG. 4, a multilayer material of a gallium oxide polymorph according to a third embodiment of the present invention and a semiconductor device structure (300) using the same include an n-type α-Ga 2 O 3 thin film (320), a heterogeneous gallium oxide stacked structure (350), and a p-type thin film (380).

n-타입 α-Ga2O3 박막(320)은 이종 재질의 기판 상에 형성될 수 있다. 여기서, 기판은 사파이어, SiC, GaN, Si 등과 이를 2 ~ 12°로 오프 컷(off cut)한 기판 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있다.The n-type α-Ga 2 O 3 thin film (320) can be formed on a substrate of a heterogeneous material. Here, the substrate can be any one selected from among sapphire, SiC, GaN, Si, and a substrate cut off by 2 to 12°.

n-타입 α-Ga2O3 박막(320)은 α-Ga2O3 박막에 n 타입의 불순물로서 Si가 도핑된 것이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 예로, n 타입의 불순물 도핑을 위해, 도핑 가스는 SiH4 2,000ppm 가스를 이용하여 1 ~ 20sccm을 공급할 수 있다. 여기서, 주입되는 가스량은 준비된 가스의 농도에 따라 다르게 적용될 수 있다. 즉, HVPE 장비의 반응 리액터에 따라 가스 농도 및 가스량은 달라질 수 있다.The n-type α-Ga 2 O 3 thin film (320) may be an α-Ga 2 O 3 thin film doped with Si as an n-type impurity, but is not limited thereto. For example, for n-type impurity doping, the doping gas may be supplied at 1 to 20 sccm using SiH 4 2,000 ppm gas. Here, the amount of gas injected may be applied differently depending on the concentration of the prepared gas. That is, the gas concentration and gas amount may vary depending on the reaction reactor of the HVPE equipment.

이종 산화갈륨 적층 구조물(350)은 n-타입 α-Ga2O3 박막(320) 상에 κ-Ga2O3 박막(340) 및 α-Ga2O3 박막(360)이 수직 방향으로 교번적으로 적어도 2회 이상 적층되어 형성된다. 이때, 도 4에는 이종 산화갈륨 적층 구조물(350)이 n-타입 α-Ga2O3 박막(320) 상에 κ-Ga2O3 박막(340) 및 α-Ga2O3 박막(360)이 수직 방향으로 교번적으로 3회 적층되어 형성된 것을 일 예로 나타내었다.The heterogeneous gallium oxide layered structure (350) is formed by alternately stacking a κ-Ga 2 O 3 thin film (340) and an α-Ga 2 O 3 thin film (360) in a vertical direction at least twice on an n-type α-Ga 2 O 3 thin film (320). At this time, FIG. 4 shows as an example that the heterogeneous gallium oxide layered structure (350) is formed by alternately stacking a κ- Ga 2 O 3 thin film (340) and an α-Ga 2 O 3 thin film (360) in a vertical direction three times on an n-type α-Ga 2 O 3 thin film (320).

κ-Ga2O3 박막(340)은 700℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성되고, 보다 바람직하게는 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성된다.The κ-Ga 2 O 3 thin film (340) is formed by epitaxial growth at a temperature of 700°C or lower, more preferably, by epitaxial growth at a temperature of 600°C or lower.

이와 같이, Ga2O3 에피는 다양한 이종 기판에서 온도 조건과 VI족 및 Ⅲ족 전구체의 비율 조절을 통해 다양한 상의 성장이 가능하다. 여기서, 증착 가스를 흘려주는 조건은 장비의 메인 챔버의 용량에 따라 차이가 있을 수 있으며, VI족 및 Ⅲ족 전구체의 비율은 2 ~ 1,000까지 변화시켜 적용할 수 있다.In this way, Ga 2 O 3 epitaxial growth of various phases is possible by controlling temperature conditions and the ratio of group VI and group III precursors on various heterogeneous substrates. Here, the conditions for flowing the deposition gas may vary depending on the capacity of the main chamber of the equipment, and the ratio of group VI and group III precursors can be applied by changing it from 2 to 1,000.

즉, α-Ga2O3의 경우에는 400 ~ 500℃의 성장온도 조건에서 성장 가능하며, κ-Ga2O3는 VI족 및 Ⅲ족 전구체의 비율을 조절하여 상대적으로 낮은 온도인 600℃ 내외에서 상 제어가 가능해질 수 있고, 800℃ 이하에서 적절한 공정 온도를 선택하여 상 제어가 가능해질 수 있게 된다.That is, in the case of α-Ga 2 O 3 , growth is possible under growth temperature conditions of 400 to 500°C, and for κ-Ga 2 O 3 , phase control can be achieved at a relatively low temperature of around 600°C by adjusting the ratio of group VI and group III precursors, and phase control can be achieved by selecting an appropriate process temperature below 800°C.

여기서, n-타입 α-Ga2O3 박막(320)은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖고, κ-Ga2O3 박막(340)은 4.6 ~ 4.8eV의 밴드갭을 갖고, α-Ga2O3 박막(360)은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖는다.Here, the n-type α-Ga 2 O 3 thin film (320) has a band gap of 5.1 to 5.4 eV, the κ-Ga 2 O 3 thin film (340) has a band gap of 4.6 to 4.8 eV, and the α-Ga 2 O 3 thin film (360) has a band gap of 5.1 to 5.4 eV.

p-타입 박막(380)은 이종 산화갈륨 적층 구조물(350) 상에 적층된다.A p-type thin film (380) is laminated on a heterogeneous gallium oxide stack structure (350).

p-타입 박막(380)은 산화갈륨과 p-n 접합을 확보할 수 있는 NiO, CuO 및 IrO을 포함하는 산화물 및 GaN을 포함하는 질화물 중 어느 하나로 형성된다.The p-type thin film (380) is formed of any one of an oxide including NiO, CuO, and IrO capable of securing a p-n junction with gallium oxide, and a nitride including GaN.

여기서, p-타입 박막(380)은 NiO, CuO, IrO 및 GaN 중 어느 하나에 p 타입의 불순물로서 Mg, N 및 Fe를 포함하는 V족 원소 중 1종 이상이 도핑된 것이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, p 타입의 불순물로서 N을 도핑하기 위해서 N2, NH3, N2O 등에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.Here, the p-type thin film (380) may be used by doping one or more of group V elements including Mg, N, and Fe as p-type impurities in any one of NiO, CuO, IrO, and GaN, but is not limited thereto. For example, in order to dope N as a p-type impurity, one or more selected from N 2 , NH 3 , N 2 O, etc. may be used.

이에 따라, 본 발명의 제3 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체(300)는 n-타입 α-Ga2O3 박막(320), κ-Ga2O3 박막(340) 및 α-Ga2O3 박막(360)이 수직 방향으로 교번적으로 적어도 2회 이상 적층된 이종 산화갈륨 적층 구조물(350) 및 p-타입 박막(380)이 차례로 적층되어, 멀티 양자 우물 구조(multi quantum well structure)를 갖는 UV-LED 또는 UV 레이저로 활용될 수 있다.Accordingly, the multilayer material of the gallium oxide polymorph according to the third embodiment of the present invention and the semiconductor device structure (300) using the same are heterogeneous gallium oxide stacked structures (350) in which an n-type α-Ga 2 O 3 thin film (320), a κ-Ga 2 O 3 thin film (340), and an α-Ga 2 O 3 thin film (360) are alternately stacked at least twice in the vertical direction, and a p-type thin film (380) is sequentially stacked, so that they can be utilized as a UV-LED or UV laser having a multi quantum well structure.

지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체는 Ga2O3 결정상에 영향을 미치는 성장 온도 외에 전구체의 비를 조절하는 것에 의해, 600℃의 비교적 저온에서 순수한 β-Ga2O3 에피 성장이 가능하므로, 이를 활용하여 일반적으로 알려진 β-Ga2O3 성장 조건 보다 낮은 온도조건에서 상변형 없이 다층으로 구현할 수 있다.As described above, the multilayer material of gallium oxide polymorph according to embodiments of the present invention and the semiconductor device structure using the same can achieve pure β-Ga 2 O 3 epitaxial growth at a relatively low temperature of 600°C by controlling the ratio of precursors in addition to the growth temperature affecting the Ga 2 O 3 crystal phase, and thus can be implemented as a multilayer without phase transformation at a temperature lower than the generally known β-Ga 2 O 3 growth conditions by utilizing this.

따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체는 다양한 상을 상전이 없이 다층(multi layer)으로 쌓음으로써, 다양한 밴드 구조를 가지는 에피 소재를 구현할 수 있다.Therefore, the multilayer material of the gallium oxide polymorph according to the embodiments of the present invention and the semiconductor device structure using the same can implement an epi material having various band structures by stacking various phases in multilayers without phase transition.

즉, 본 발명의 실시예들에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체는 밴드갭 엔지니어링을 통한 n-i-n 구조의 광 검출기에 응용할 수 있으며, 그 구조는 α-Ga2O3 / κ-Ga2O3 / α-Ga2O3, α-Ga2O3 / β-Ga2O3 / α-Ga2O3 그리고 α-Ga2O3 / poly-Ga2O3 / α-Ga2O3 등의 밴드갭 차이를 이용한 양자 우물(quantum well) 구조를 가질 수 있는 모든 조합을 포함할 수 있다.That is, the multilayer material of gallium oxide polymorph according to embodiments of the present invention and the semiconductor device structure applying the same can be applied to a photodetector of a nin structure through bandgap engineering, and the structure can include all combinations that can have a quantum well structure utilizing the bandgap difference, such as α-Ga 2 O 3 / κ-Ga 2 O 3 / α-Ga 2 O 3 , α-Ga 2 O 3 / β-Ga 2 O 3 / α-Ga 2 O 3 , and α-Ga 2 O 3 / poly-Ga 2 O 3 / α-Ga 2 O 3.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체는 n-type α-Ga2O3 / α-Ga2O3 또는 n-type κ-Ga2O3 / κ-Ga2O3, n-type β-Ga2O3 /β-Ga2O3 조합을 활용한 멀티 양자우물(multi-quantum well) / p-type 박막의 구조를 이용한 UV-LED 또는 UV 레이저에 응용할 수 있다.In addition, the multilayer material of gallium oxide polymorph according to embodiments of the present invention and the semiconductor device structure applying the same can be applied to UV-LED or UV laser using a multi-quantum well/p-type thin film structure utilizing a combination of n-type α-Ga 2 O 3 / α -Ga 2 O 3 or n-type κ-Ga 2 O 3 / κ-Ga 2 O 3 , n-type β-Ga 2 O 3 / β-Ga 2 O 3.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, a method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph according to embodiments of the present invention will be described.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법을 나타낸 공정 순서도이다.FIG. 5 is a process flow diagram showing a method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph according to the first embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법은 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막 형성 단계(S110), β-Ga2O3 박막 또는 κ-Ga2O3 박막 형성 단계(S120)와 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막 형성 단계(S130)를 포함한다.As illustrated in FIG. 5, the method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph according to the first embodiment of the present invention includes a first n-type α-Ga 2 O 3 thin film forming step (S110), a β-Ga 2 O 3 thin film or κ-Ga 2 O 3 thin film forming step (S120), and a second n-type α-Ga 2 O 3 thin film forming step (S130).

제1 n-타입 α-Ga2O3 박막 형성 단계(S110)에서는 기판 상에 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막을 형성한다. 여기서, 기판은 사파이어, SiC, GaN, Si 등과 이를 2 ~ 12°로 오프 컷(off cut)한 기판 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있다.In the first n-type α-Ga 2 O 3 thin film formation step (S110), a first n-type α-Ga 2 O 3 thin film is formed on a substrate. Here, the substrate may be any one selected from among sapphire, SiC, GaN, Si, and a substrate cut off by 2 to 12°.

제1 n-타입 α-Ga2O3 박막은 α-Ga2O3 박막에 n 타입의 불순물로서 Si가 도핑된 것이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 예로, n 타입의 불순물 도핑을 위해, 도핑 가스는 SiH4 2,000ppm 가스를 이용하여 1 ~ 20sccm을 공급할 수 있다. 여기서, 주입되는 가스량은 준비된 가스의 농도에 따라 다르게 적용될 수 있다. 즉, HVPE 장비의 반응 리액터에 따라 가스 농도 및 가스량은 달라질 수 있다.The first n-type α-Ga 2 O 3 thin film may be an α-Ga 2 O 3 thin film doped with Si as an n-type impurity, but is not limited thereto. For example, for n-type impurity doping, a doping gas of 2,000 ppm SiH 4 may be supplied at 1 to 20 sccm. Here, the amount of gas injected may be applied differently depending on the concentration of the prepared gas. That is, the gas concentration and gas amount may vary depending on the reaction reactor of the HVPE equipment.

β-Ga2O3 박막 또는 κ-Ga2O3 박막 형성 단계(S120)에서는 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막 상에 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막의 밴드갭 보다 낮은 밴드갭을 갖는 β-Ga2O3 박막 또는 κ-Ga2O3 박막을 형성한다.In the step of forming a β-Ga 2 O 3 thin film or a κ-Ga 2 O 3 thin film (S120), a β-Ga 2 O 3 thin film or a κ-Ga 2 O 3 thin film having a lower band gap than the band gap of the first n-type α-Ga 2 O 3 thin film is formed on the first n-type α-Ga 2 O 3 thin film.

여기서, β-Ga2O3 박막은 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막과 상이한 상을 갖는 이종 산화갈륨 박막으로, 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막 사이에 개재된다. β-Ga2O3 박막은 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막의 밴드갭 보다 낮은 밴드갭을 갖는다.Here, the β-Ga 2 O 3 thin film is a hetero-gallium oxide thin film having a different phase from the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films, and is interposed between the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films. The β-Ga 2 O 3 thin film has a lower band gap than the band gaps of the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films.

보다 구체적으로, β-Ga2O3 박막은 4.8 ~ 5.0eV의 밴드갭을 갖고, 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막 각각은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖는다.More specifically, the β-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 4.8 to 5.0 eV, and each of the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films has a band gap of 5.1 to 5.4 eV.

β-Ga2O3 박막은 700℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성되고, 보다 바람직하게는 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성된다.The β-Ga 2 O 3 thin film is formed by epitaxial growth at a temperature of 700°C or lower, more preferably at a temperature of 600°C or lower.

또한, κ-Ga2O3 박막은 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막과 상이한 상을 갖는 이종 산화갈륨 박막으로, 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막 사이에 개재된다. κ-Ga2O3 박막은 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막의 밴드갭 보다 낮은 밴드갭을 갖는다.In addition, the κ-Ga 2 O 3 thin film is a hetero-gallium oxide thin film having a different phase from the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films and is interposed between the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films. The κ-Ga 2 O 3 thin film has a lower band gap than the band gaps of the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films.

보다 구체적으로, κ-Ga2O3 박막은 4.6 ~ 4.8eV의 밴드갭을 갖고, 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막 각각은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖는다.More specifically, the κ-Ga 2 O 3 thin films have a band gap of 4.6–4.8 eV, and the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films each have a band gap of 5.1–5.4 eV.

κ-Ga2O3 박막은 700℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성되고, 보다 바람직하게는 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성된다.The κ-Ga 2 O 3 thin film is formed by epitaxial growth at a temperature of 700°C or lower, more preferably at a temperature of 600°C or lower.

제2 n-타입 α-Ga2O3 박막 형성 단계(S130)에서는 β-Ga2O3 박막 또는 κ-Ga2O3 박막 상에 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막을 형성한다.In the second n-type α-Ga 2 O 3 thin film formation step (S130), a second n-type α-Ga 2 O 3 thin film is formed on a β-Ga 2 O 3 thin film or a κ-Ga 2 O 3 thin film.

제2 n-타입 α-Ga2O3 박막은, 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막과 마찬가지로, α-Ga2O3 박막에 n 타입의 불순물로서 Si가 도핑된 것이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The second n-type α-Ga 2 O 3 thin film may be, like the first n-type α-Ga 2 O 3 thin film, an α-Ga 2 O 3 thin film doped with Si as an n-type impurity, but is not limited thereto.

이와 같이, Ga2O3 에피는 다양한 이종 기판에서 온도 조건과 VI족 및 Ⅲ족 전구체의 비율 조절을 통해 다양한 상의 성장이 가능하다. 여기서, 증착 가스를 흘려주는 조건은 장비의 메인 챔버의 용량에 따라 차이가 있을 수 있으며, VI족 및 Ⅲ족 전구체의 비율은 2 ~ 1,000까지 변화시켜 적용할 수 있다. VI족 전구체는 O2, N2O 및 H2O 중 선택된 하나 이상을 포함할 수 있고, Ⅲ족 전구체는 트리메틸갈륨(TMGa) 및 트리에틸갈륨(TEGa) 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.In this way, Ga 2 O 3 epitaxial growth of various phases is possible by controlling the temperature conditions and the ratio of group VI and group III precursors on various heterogeneous substrates. Here, the conditions for flowing the deposition gas may vary depending on the capacity of the main chamber of the equipment, and the ratio of group VI and group III precursors can be applied by changing it from 2 to 1,000. The group VI precursor may include at least one selected from O 2 , N 2 O, and H 2 O, and the group III precursor may include at least one selected from trimethylgallium (TMGa) and triethylgallium (TEGa).

즉, α-Ga2O3의 경우에는 400 ~ 500℃의 성장온도 조건에서 성장 가능하며, κ-Ga2O3와 β-Ga2O3는 VI족 및 Ⅲ족 전구체의 비율을 조절하여 상대적으로 낮은 온도인 600℃ 내외에서 상 제어가 가능해질 수 있고, 800℃ 이하에서 적절한 공정 온도를 선택하여 상 제어가 가능해질 수 있게 된다.That is, in the case of α-Ga 2 O 3 , growth is possible under growth temperature conditions of 400 to 500°C, and for κ-Ga 2 O 3 and β-Ga 2 O 3 , phase control is possible at a relatively low temperature of around 600°C by adjusting the ratio of group VI and group III precursors, and phase control is possible by selecting an appropriate process temperature below 800°C.

또한, 성장한 α-Ga2O3 에피는 800℃의 열처리 후에도 상전이가 발생하지 않으므로 κ-Ga2O3 와 β-Ga2O3의 성장온도 조건은 800℃ 이하의 온도에서 수행되는 것이 바람직하며, 이러한 공정 기술을 통해 적절한 온도 범위 내에서 α-, κ- 및 β-의 3가지 상을 다양한 조건의 다층 구조로 성장할 수 있다.In addition, since the grown α-Ga 2 O 3 epi does not undergo phase transition even after heat treatment at 800°C, it is desirable that the growth temperature conditions for κ-Ga 2 O 3 and β-Ga 2 O 3 be performed at a temperature below 800°C, and through this process technology, three phases of α-, κ-, and β- can be grown in a multilayer structure under various conditions within an appropriate temperature range.

이러한 다층 구조 성장은 결정성이 뛰어난 에피층 뿐만 아니라, 스퍼터 등의 PVD(Physical Vapor Deposition) 장비를 이용하여 비정질 또는 다결정 구조의 Ga2O3 층도 응용될 수 있다.This multilayer structure growth can be applied not only to epilayers with excellent crystallinity, but also to amorphous or polycrystalline Ga 2 O 3 layers using PVD (Physical Vapor Deposition) equipment such as sputtering.

한편, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법을 나타낸 공정 순서도이다.Meanwhile, FIG. 6 is a process flow diagram showing a method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph according to the second embodiment of the present invention.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법은 α-Ga2O3 박막 형성 단계(S210), β-Ga2O3 박막 형성 단계(S220) 및 κ-Ga2O3 박막 형성 단계(S230)를 포함한다.As illustrated in FIG. 6, the method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph according to the second embodiment of the present invention includes an α-Ga 2 O 3 thin film forming step (S210), a β-Ga 2 O 3 thin film forming step (S220), and a κ-Ga 2 O 3 thin film forming step (S230).

α-Ga2O3 박막 형성 단계(S210)에서는 기판 상에 α-Ga2O3 박막을 형성한다. 이때, 기판은 사파이어, SiC, GaN, Si 등과 이를 2 ~ 12°로 오프 컷(off cut)한 기판 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있다.In the α-Ga 2 O 3 thin film formation step (S210), an α-Ga 2 O 3 thin film is formed on a substrate. At this time, the substrate may be any one selected from among sapphire, SiC, GaN, Si, and a substrate cut off by 2 to 12°.

β-Ga2O3 박막 형성 단계(S220)에서는 α-Ga2O3 박막 상에 β-Ga2O3 박막을 형성한다.In the β-Ga 2 O 3 thin film formation step (S220), a β-Ga 2 O 3 thin film is formed on an α-Ga 2 O 3 thin film.

본 단계에서, β-Ga2O3 박막은 700℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성되고, 보다 바람직하게는 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성된다.In this step, the β-Ga 2 O 3 thin film is formed by epitaxial growth at a temperature of 700°C or lower, more preferably, by epitaxial growth at a temperature of 600°C or lower.

κ-Ga2O3 박막 형성 단계(S230)에서는 β-Ga2O3 박막 상에 κ-Ga2O3 박막을 형성한다.In the κ-Ga 2 O 3 thin film formation step (S230), a κ-Ga 2 O 3 thin film is formed on a β-Ga 2 O 3 thin film.

본 단계에서, κ-Ga2O3 박막 각각은 700℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성되고, 보다 바람직하게는 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성된다.In this step, each of the κ-Ga 2 O 3 thin films is formed by epitaxial growth at a temperature of 700°C or lower, more preferably at a temperature of 600°C or lower.

α-Ga2O3 박막은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖고, β-Ga2O3 박막은 4.8 ~ 5.0eV의 밴드갭을 갖고, κ-Ga2O3 박막은 4.6 ~ 4.8eV의 밴드갭을 갖는다.α-Ga 2 O 3 thin films have a band gap of 5.1–5.4 eV, β-Ga 2 O 3 thin films have a band gap of 4.8–5.0 eV, and κ-Ga 2 O 3 thin films have a band gap of 4.6–4.8 eV.

이와 같이, Ga2O3 에피는 다양한 이종 기판에서 온도 조건과 VI족 및 Ⅲ족 전구체의 비율 조절을 통해 다양한 상의 성장이 가능하다. 여기서, 증착 가스를 흘려주는 조건은 장비의 메인 챔버의 용량에 따라 차이가 있을 수 있으며, VI족 및 Ⅲ족 전구체의 비율은 2 ~ 1,000까지 변화시켜 적용할 수 있다.In this way, Ga 2 O 3 epitaxial growth of various phases is possible by controlling temperature conditions and the ratio of group VI and group III precursors on various heterogeneous substrates. Here, the conditions for flowing the deposition gas may vary depending on the capacity of the main chamber of the equipment, and the ratio of group VI and group III precursors can be applied by changing it from 2 to 1,000.

즉, α-Ga2O3의 경우에는 400 ~ 500℃의 성장온도 조건에서 성장 가능하며, κ-Ga2O3와 β-Ga2O3는 VI족 및 Ⅲ족 전구체의 비율을 조절하여 상대적으로 낮은 온도인 600℃ 내외에서 상 제어가 가능해질 수 있고, 800℃ 이하에서 적절한 공정 온도를 선택하여 상 제어가 가능해질 수 있게 된다.That is, in the case of α-Ga 2 O 3 , growth is possible under growth temperature conditions of 400 to 500°C, and for κ-Ga 2 O 3 and β-Ga 2 O 3 , phase control is possible at a relatively low temperature of around 600°C by adjusting the ratio of group VI and group III precursors, and phase control is possible by selecting an appropriate process temperature below 800°C.

또한, 성장한 α-Ga2O3 에피는 800℃의 열처리 후에도 상전이가 발생하지 않으므로 κ-Ga2O3 와 β-Ga2O3의 성장온도 조건은 800℃ 이하의 온도에서 수행되는 것이 바람직하며, 이러한 공정 기술을 통해 적절한 온도 범위 내에서 α-, κ- 및 β-의 3가지 상을 다양한 조건의 다층 구조로 성장할 수 있다.In addition, since the grown α-Ga 2 O 3 epi does not undergo phase transition even after heat treatment at 800°C, it is desirable that the growth temperature conditions for κ-Ga 2 O 3 and β-Ga 2 O 3 be performed at a temperature below 800°C, and through this process technology, three phases of α-, κ-, and β- can be grown in a multilayer structure under various conditions within an appropriate temperature range.

이에 따라, 본 발명의 제2 실시예에 따른 방법으로 제조된 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체는 α-Ga2O3 박막, β-Ga2O3 박막 및 κ-Ga2O3 박막이 차례로 적층되어, 탠덤 구조를 갖는 태양전지(solar cell) 또는 광검출기(photodetector)로 활용될 수 있다.Accordingly, the multilayer material of gallium oxide polymorph manufactured by the method according to the second embodiment of the present invention and the semiconductor device structure using the same can be utilized as a solar cell or a photodetector having a tandem structure in which an α-Ga 2 O 3 thin film, a β-Ga 2 O 3 thin film, and a κ-Ga 2 O 3 thin film are sequentially laminated.

한편, 도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법을 나타낸 공정 순서도이다.Meanwhile, FIG. 7 is a process flow diagram showing a method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph according to the third embodiment of the present invention.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법은 n-타입 α-Ga2O3 박막 형성 단계(S310), 이종 산화갈륨 적층 구조물 형성 단계(S320) 및 p-타입 박막 형성 단계(S330)를 포함한다.As illustrated in FIG. 7, a method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph according to a third embodiment of the present invention includes an n-type α-Ga 2 O 3 thin film forming step (S310), a heterogeneous gallium oxide layered structure forming step (S320), and a p-type thin film forming step (S330).

n-타입 α-Ga2O3 박막 형성 단계(S310)에서는 기판 상에 n-타입 α-Ga2O3 박막을 형성한다. 이때, 기판은 사파이어, SiC, GaN, Si 등과 이를 2 ~ 12°로 오프 컷(off cut)한 기판 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있다.In the n-type α-Ga 2 O 3 thin film formation step (S310), an n-type α-Ga 2 O 3 thin film is formed on a substrate. At this time, the substrate may be any one selected from among sapphire, SiC, GaN, Si, and a substrate cut off by 2 to 12°.

n-타입 α-Ga2O3 박막은 α-Ga2O3 박막에 n 타입의 불순물로서 Si가 도핑된 것이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 예로, n 타입의 불순물 도핑을 위해, 도핑 가스는 SiH4 2,000ppm 가스를 이용하여 1 ~ 20sccm을 공급할 수 있다. 여기서, 주입되는 가스량은 준비된 가스의 농도에 따라 다르게 적용될 수 있다. 즉, HVPE 장비의 반응 리액터에 따라 가스 농도 및 가스량은 달라질 수 있다.The n-type α-Ga 2 O 3 thin film may be an α-Ga 2 O 3 thin film doped with Si as an n-type impurity, but is not limited thereto. For example, for n-type impurity doping, the doping gas may be supplied at 1 to 20 sccm using SiH 4 2,000 ppm gas. Here, the amount of gas injected may be applied differently depending on the concentration of the prepared gas. That is, the gas concentration and gas amount may vary depending on the reaction reactor of the HVPE equipment.

이종 산화갈륨 적층 구조물 형성 단계(S320)에서는 n-타입 α-Ga2O3 박막 상에 κ-Ga2O3 박막 및 α-Ga2O3 박막을 수직 방향으로 교번적으로 적어도 2회 이상 적층하여 이종 산화갈륨 적층 구조물을 형성한다.In the step of forming a heterogeneous gallium oxide layered structure (S320), a κ-Ga 2 O 3 thin film and an α-Ga 2 O 3 thin film are alternately stacked at least twice in the vertical direction on an n-type α-Ga 2 O 3 thin film to form a heterogeneous gallium oxide layered structure.

본 단계에서, κ-Ga2O3 박막은 700℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성되고, 보다 바람직하게는 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성된다.In this step, the κ-Ga 2 O 3 thin film is formed by epitaxial growth at a temperature of 700°C or lower, more preferably, by epitaxial growth at a temperature of 600°C or lower.

이와 같이, Ga2O3 에피는 다양한 이종 기판에서 온도 조건과 VI족 및 Ⅲ족 전구체의 비율 조절을 통해 다양한 상의 성장이 가능하다. 여기서, 증착 가스를 흘려주는 조건은 장비의 메인 챔버의 용량에 따라 차이가 있을 수 있으며, VI족 및 Ⅲ족 전구체의 비율은 2 ~ 1,000까지 변화시켜 적용할 수 있다.In this way, Ga 2 O 3 epitaxial growth of various phases is possible by controlling temperature conditions and the ratio of group VI and group III precursors on various heterogeneous substrates. Here, the conditions for flowing the deposition gas may vary depending on the capacity of the main chamber of the equipment, and the ratio of group VI and group III precursors can be applied by changing it from 2 to 1,000.

즉, α-Ga2O3의 경우에는 400 ~ 500℃의 성장온도 조건에서 성장 가능하며, κ-Ga2O3는 VI족 및 Ⅲ족 전구체의 비율을 조절하여 상대적으로 낮은 온도인 600℃ 내외에서 상 제어가 가능해질 수 있고, 800℃ 이하에서 적절한 공정 온도를 선택하여 상 제어가 가능해질 수 있게 된다.That is, in the case of α-Ga 2 O 3 , growth is possible under growth temperature conditions of 400 to 500°C, and for κ-Ga 2 O 3 , phase control can be achieved at a relatively low temperature of around 600°C by adjusting the ratio of group VI and group III precursors, and phase control can be achieved by selecting an appropriate process temperature below 800°C.

여기서, n-타입 α-Ga2O3 박막은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖고, κ-Ga2O3 박막은 4.6 ~ 4.8eV의 밴드갭을 갖고, α-Ga2O3 박막은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖는다.Here, the n-type α-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 5.1–5.4 eV, the κ-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 4.6–4.8 eV, and the α-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 5.1–5.4 eV.

p-타입 박막 형성 단계(S330)에서는 α-Ga2O3 박막 상에 p-타입 박막을 형성한다.In the p-type thin film formation step (S330), a p-type thin film is formed on the α-Ga 2 O 3 thin film.

p-타입 박막은 산화갈륨과 p-n 접합을 확보할 수 있는 NiO, CuO 및 IrO을 포함하는 산화물 및 GaN을 포함하는 질화물 중 어느 하나로 형성된다.The p-type thin film is formed of any one of oxides including NiO, CuO, and IrO capable of securing a p-n junction with gallium oxide, and a nitride including GaN.

여기서, p-타입 박막은 NiO, CuO, IrO 및 GaN 중 어느 하나에 p 타입의 불순물로서 Mg, N 및 Fe를 포함하는 V족 원소 중 1종 이상이 도핑된 것이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, p 타입의 불순물로서 N을 도핑하기 위해서 N2, NH3, N2O 등에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.Here, the p-type thin film may be used by doping one or more of group V elements including Mg, N, and Fe as p-type impurities in any one of NiO, CuO, IrO, and GaN, but is not limited thereto. For example, in order to dope N as a p-type impurity, one or more selected from N 2 , NH 3 , N 2 O, etc. may be used.

이에 따라, 본 발명의 제3 실시예에 따른 방법으로 제조된 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체는 n-타입 α-Ga2O3 박막, κ-Ga2O3 박막 및 α-Ga2O3 박막이 수직 방향으로 교번적으로 적어도 2회 이상 적층된 이종 산화갈륨 적층 구조물 및 p-타입 박막이 차례로 적층되어, 멀티 양자 우물 구조(multi quantum well structure)를 갖는 UV-LED 또는 UV 레이저로 활용될 수 있다.Accordingly, the multilayer material of gallium oxide polymorph manufactured by the method according to the third embodiment of the present invention and the semiconductor device structure using the same can be utilized as a UV-LED or UV laser having a multi-quantum well structure, in which an n-type α-Ga 2 O 3 thin film, a κ-Ga 2 O 3 thin film, and an α-Ga 2 O 3 thin film are alternately laminated at least twice in the vertical direction and a heterogeneous gallium oxide layered structure in which a p-type thin film is sequentially laminated.

지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법은 Ga2O3 결정상에 영향을 미치는 성장 온도 외에 전구체의 비를 조절하는 것에 의해, 600℃의 비교적 저온에서 순수한 β-Ga2O3 에피 성장이 가능하므로, 이를 활용하여 일반적으로 알려진 β-Ga2O3 성장 조건 보다 낮은 온도조건에서 상변형 없이 다층으로 구현할 수 있다.As described above, the method for forming a multilayer structure of gallium oxide polymorphs according to embodiments of the present invention enables pure β-Ga 2 O 3 epitaxial growth at a relatively low temperature of 600°C by controlling the ratio of precursors in addition to the growth temperature affecting the Ga 2 O 3 crystal phase, and thus, by utilizing this, it is possible to implement multilayers without phase transformation at lower temperature conditions than the generally known β-Ga 2 O 3 growth conditions.

따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법은 다양한 상을 상전이 없이 다층(multi layer)으로 쌓음으로써, 다양한 밴드 구조를 가지는 에피 소재를 구현할 수 있다.Therefore, the method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph according to embodiments of the present invention can implement an epi material having various band structures by stacking various phases in multilayers without phase transition.

즉, 본 발명의 실시예들에 따른 방법으로 형성된 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체는 밴드갭 엔지니어링을 통한 n-i-n 구조의 광 검출기에 응용할 수 있으며, 그 구조는 α-Ga2O3 / κ-Ga2O3 / α-Ga2O3, α-Ga2O3 / β-Ga2O3 / α-Ga2O3 그리고 α-Ga2O3 / poly-Ga2O3 / α-Ga2O3 등의 밴드갭 차이를 이용한 양자 우물(quantum well) 구조를 가질 수 있는 모든 조합을 포함할 수 있다.That is, the multilayer material of gallium oxide polymorph formed by the method according to the embodiments of the present invention and the semiconductor device structure applying the same can be applied to a photodetector of a nin structure through bandgap engineering, and the structure can include all combinations that can have a quantum well structure utilizing the bandgap difference, such as α-Ga 2 O 3 / κ-Ga 2 O 3 / α-Ga 2 O 3 , α - Ga 2 O 3 / β-Ga 2 O 3 / α-Ga 2 O 3 , and α-Ga 2 O 3 / poly-Ga 2 O 3 / α-Ga 2 O 3.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 방법으로 형성된 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체는 n-type α-Ga2O3 / α-Ga2O3 또는 n-type κ-Ga2O3 / κ-Ga2O3, n-type β-Ga2O3 /β-Ga2O3 조합을 활용한 멀티 양자우물(multi-quantum well) / p-type 박막의 구조를 이용한 UV-LED 또는 UV 레이저에 응용할 수 있다.In addition, the multilayer material of gallium oxide polymorph formed by the method according to the embodiments of the present invention and the semiconductor device structure applying the same can be applied to UV-LED or UV laser using the structure of multi-quantum well/p-type thin film utilizing combinations of n-type α-Ga 2 O 3 / α-Ga 2 O 3 or n-type κ-Ga 2 O 3 / κ - Ga 2 O 3 , n-type β-Ga 2 O 3 /β-Ga 2 O 3.

실시예Example

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, these are presented as preferred examples of the present invention and cannot be interpreted as limiting the present invention in any way.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Anything not described here is technically inferable enough to be understood by those skilled in the art, so its description will be omitted.

도 8 내지 도 10은 C-플레인 사파이어 기판 상에 CVD 기반의 에피 성장법을 이용하여 각기 다른 상으로 성장시킨 Ga2O3의 XRD 및 락킹 커브(rocking curve) 측정 결과를 나타낸 그래프이다.Figures 8 to 10 are graphs showing the XRD and rocking curve measurement results of Ga 2 O 3 grown in different phases using a CVD-based epitaxial growth method on a C-plane sapphire substrate.

도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, XRD 분석을 통한 2θ 스캔시 성장한 에피는 성장 조건에 따라 α-Ga2O3, κ-Ga2O3 및 β-Ga2O3의 단일상으로 각각 성장되는 것을 확인하였다.As shown in FIGS. 8 to 10, the epi grown in 2θ scan through XRD analysis was confirmed to grow in a single phase of α-Ga 2 O 3 , κ-Ga 2 O 3 , and β-Ga 2 O 3 , respectively, depending on the growth conditions.

또한, 각 상의 대칭(symmetric) 면에 대한 락킹 커브(rocking curve) 측정 결과, 준수한 결정성을 보이고 있음을 확인할 수 있었다.In addition, the rocking curve measurement results for each symmetrical surface confirmed that it exhibited satisfactory crystallinity.

위의 실험 결과를 토대로, HVPE 및 MOCVD 등 다양한 CVD 기반의 에피 성장법을 이용할 시, α-Ga2O3, κ-Ga2O3 및 β-Ga2O3로 각각 에피 성장이 가능하다는 것을 확인하였다.Based on the experimental results above, it was confirmed that epitaxial growth of α-Ga 2 O 3 , κ-Ga 2 O 3 , and β-Ga 2 O 3 was possible using various CVD-based epitaxial growth methods such as HVPE and MOCVD, respectively.

한편, 도 11 내지 도 13은 실시예 1 ~ 3에 따라 제조된 다층 구조물의 단면을 촬영하여 나타낸 SEM 및 OM 사진이다.Meanwhile, FIGS. 11 to 13 are SEM and OM photographs showing cross-sections of multilayer structures manufactured according to Examples 1 to 3.

도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같이, MOCVD 성장법을 이용한 전구체의 양에 따른 산화갈륨 상 제어 기술에서 성장 온도 외에 전구체의 비가 Ga2O3 결정상에 영향을 미칠 수 있음을 확인하였으며, 이에 따라 600℃의 비교적 저온에서 순수한 β-Ga2O3 에피 성장이 가능함을 확인하였다.As illustrated in FIGS. 11 to 13, in the technique of controlling the gallium oxide phase according to the amount of precursor using the MOCVD growth method, it was confirmed that the ratio of the precursor can affect the Ga 2 O 3 crystal phase in addition to the growth temperature, and accordingly, it was confirmed that pure β-Ga 2 O 3 epitaxial growth is possible at a relatively low temperature of 600°C.

이를 활용할 시, 일반적으로 알려진 β-Ga2O3의 성장온도 조건 보다 낮은 온도조건에서 상변형 없이 다층으로 구현할 수 있다.When utilizing this, it can be implemented as a multilayer without phase transformation at a temperature lower than the generally known growth temperature conditions of β-Ga 2 O 3 .

따라서, 확보한 공정 조건을 바탕으로 온도에 의한 상전이 없이 α-Ga2O3 박막, κ-Ga2O3 박막 및 β-Ga2O3 박막이 적층된 다층 구조로 성장이 가능하며, 각각의 성장한 에피층은 명확히 구분되고 있는 것을 확인하였다.Therefore, based on the secured process conditions, it was confirmed that a multilayer structure in which α-Ga 2 O 3 thin films, κ-Ga 2 O 3 thin films, and β-Ga 2 O 3 thin films were stacked could be grown without a phase transition due to temperature, and that each grown epilayer was clearly distinguished.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.Although the above description focuses on the embodiments of the present invention, various changes or modifications can be made at the level of a person skilled in the art having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs. Such changes and modifications can be said to belong to the present invention as long as they do not go beyond the scope of the technical idea provided by the present invention. Therefore, the scope of the rights of the present invention should be determined by the claims described below.

100 : 반도체 소자 구조체
120 : 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막
140 : β-Ga2O3 박막
150 : κ-Ga2O3 박막
160 : 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막
200 : 반도체 소자 구조체
220 : α-Ga2O3 박막
240 : β-Ga2O3 박막
260 : κ-Ga2O3 박막
300 : 반도체 소자 구조체
320 : n-타입 α-Ga2O3 박막
340 : κ-Ga2O3 박막
360 : α-Ga2O3 박막
350 : 이종 산화갈륨 적층 구조물
380 : p-타입 박막100 : Semiconductor device structure
120: First n-type α-Ga 2 O 3 thin film
140: β-Ga 2 O 3 thin film
150: κ-Ga 2 O 3 thin film
160: Second n-type α-Ga 2 O 3 thin film
200 : Semiconductor device structure
220: α-Ga 2 O 3 thin film
240: β-Ga 2 O 3 thin film
260: κ-Ga 2 O 3 thin film
300 : Semiconductor device structure
320: n-type α-Ga 2 O 3 thin film
340: κ-Ga 2 O 3 thin film
360: α-Ga 2 O 3 thin film
350: Heterogeneous gallium oxide layered structure
380 : p-type thin film

Claims (18)

제1 n-타입 α-Ga2O3 박막;
상기 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막 상에 적층된 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막; 및
상기 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막 사이에 개재되며, 상기 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막의 밴드갭 보다 낮은 밴드갭을 갖는 이종 산화갈륨 박막;을 포함하며,
상기 이종 산화갈륨 박막은 β-Ga2O3 박막 또는 κ-Ga2O3 박막이되, 상기 이종 산화갈륨 박막은 4.8 ~ 5.0eV의 밴드갭을 갖는 β-Ga2O3 박막 또는 4.6 ~ 4.8eV의 밴드갭을 갖는 κ-Ga2O3 박막이고, 상기 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막 각각은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 가지며,
상기 이종 산화갈륨 박막은 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성되는 것에 의해, 상변형 없이 상기 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막, 이종 산화갈륨 박막 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막이 차례로 다층으로 적층되어, 단일 양자 우물 구조를 갖는 n-i-n 광검출기(n-i-n photodetector)로 활용되는 것을 특징으로 하는 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체.
First n-type α-Ga 2 O 3 thin film;
a second n-type α-Ga 2 O 3 thin film laminated on the first n-type α-Ga 2 O 3 thin film; and
A hetero-gallium oxide thin film interposed between the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films and having a lower band gap than the band gaps of the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films;
The above hetero-gallium oxide thin film is a β-Ga 2 O 3 thin film or a κ-Ga 2 O 3 thin film, wherein the hetero-gallium oxide thin film is a β-Ga 2 O 3 thin film having a band gap of 4.8 to 5.0 eV or a κ-Ga 2 O 3 thin film having a band gap of 4.6 to 4.8 eV, and each of the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films has a band gap of 5.1 to 5.4 eV.
The above heterogeneous gallium oxide thin film is formed by epitaxial growth at a temperature of 600°C or less, so that the first n-type α-Ga 2 O 3 thin film, the heterogeneous gallium oxide thin film, and the second n-type α-Ga 2 O 3 thin film are sequentially laminated in multiple layers without phase transformation, and is characterized in that the multilayer material of the gallium oxide polymorph is utilized as a nin photodetector having a single quantum well structure, and a semiconductor device structure using the same.
 삭제delete 삭제delete 삭제delete α-Ga2O3 박막;
상기 α-Ga2O3 박막 상에 적층된 β-Ga2O3 박막; 및
상기 β-Ga2O3 박막 상에 적층된 κ-Ga2O3 박막;을 포함하고,
상기 α-Ga2O3 박막은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖고, 상기 β-Ga2O3 박막은 4.8 ~ 5.0eV의 밴드갭을 갖고, 상기 κ-Ga2O3 박막은 4.6 ~ 4.8eV의 밴드갭을 가지며,
상기 β-Ga2O3 박막 및 κ-Ga2O3 박막 각각은 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성되는 것에 의해, 상변형 없이 상기 α-Ga2O3 박막, β-Ga2O3 박막 및 κ-Ga2O3 박막이 차례로 다층으로 적층되어, 탠덤 구조를 갖는 태양전지 또는 광검출기로 활용되는 것을 특징으로 하는 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체.
α-Ga 2 O 3 thin film;
A β-Ga 2 O 3 thin film laminated on the above α-Ga 2 O 3 thin film; and
A κ-Ga 2 O 3 thin film laminated on the above β-Ga 2 O 3 thin film;
The above α-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 5.1 to 5.4 eV, the above β-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 4.8 to 5.0 eV, and the above κ-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 4.6 to 4.8 eV.
A multilayer material of gallium oxide polymorph, characterized in that each of the above β-Ga 2 O 3 thin film and the κ-Ga 2 O 3 thin film is formed by epitaxial growth at a temperature of 600° C. or lower, so that the α-Ga 2 O 3 thin film, the β-Ga 2 O 3 thin film, and the κ-Ga 2 O 3 thin film are sequentially laminated in multiple layers without phase transformation, and are utilized as a solar cell or photodetector having a tandem structure, and a semiconductor device structure using the same.
 삭제delete n-타입 α-Ga2O3 박막;
상기 n-타입 α-Ga2O3 박막 상에 κ-Ga2O3 박막 및 α-Ga2O3 박막이 수직 방향으로 교번적으로 적어도 2회 이상 적층된 이종 산화갈륨 적층 구조물; 및
상기 이종 산화갈륨 적층 구조물 상에 적층된 p-타입 박막;을 포함하며,
상기 n-타입 α-Ga2O3 박막은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖고, 상기 κ-Ga2O3 박막은 4.6 ~ 4.8eV의 밴드갭을 갖고, 상기 α-Ga2O3 박막은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 가지며,
상기 이종 산화갈륨 적층 구조물은 n-타입 α-Ga2O3 박막 상에 κ-Ga2O3 박막 및 α-Ga2O3 박막이 수직 방향으로 교번적으로 적어도 2회 이상 적층되어 형성되고,
상기 κ-Ga2O3 박막은 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성되는 것에 의해, 상변형 없이 상기 n-타입 α-Ga2O3 박막, κ-Ga2O3 박막 및 α-Ga2O3 박막이 수직 방향으로 교번적으로 적어도 2회 이상 적층된 이종 산화갈륨 적층 구조물 및 p-타입 박막이 차례로 다층으로 적층되어, 멀티 양자 우물 구조를 갖는 UV-LED 또는 UV 레이저로 활용되는 것을 특징으로 하는 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체.
n-type α-Ga 2 O 3 thin film;
A heterogeneous gallium oxide layered structure in which a κ-Ga 2 O 3 thin film and an α-Ga 2 O 3 thin film are alternately layered at least twice in the vertical direction on the above n-type α-Ga 2 O 3 thin film; and
A p-type thin film laminated on the above heterogeneous gallium oxide laminated structure;
The above n-type α-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 5.1 to 5.4 eV, the above κ-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 4.6 to 4.8 eV, and the above α-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 5.1 to 5.4 eV.
The above hetero-gallium oxide layered structure is formed by alternately stacking a κ-Ga 2 O 3 thin film and an α-Ga 2 O 3 thin film at least twice in the vertical direction on an n-type α-Ga 2 O 3 thin film,
The above κ-Ga 2 O 3 thin film is formed by epitaxial growth at a temperature of 600° C. or lower, so that the n-type α-Ga 2 O 3 thin film, the κ-Ga 2 O 3 thin film, and the α-Ga 2 O 3 thin film are alternately laminated at least twice in the vertical direction without phase transformation, and the p-type thin film is sequentially laminated in multiple layers, and is characterized by a multilayer material of a gallium oxide polymorph, which is utilized as a UV-LED or UV laser having a multi-quantum well structure, and a semiconductor device structure using the same.
 삭제delete 제7항에 있어서,
상기 p-타입 박막은
산화갈륨과 p-n 접합을 확보할 수 있는 NiO, CuO 및 IrO을 포함하는 산화물 및 GaN을 포함하는 질화물 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 산화갈륨 다형체의 다층 소재 및 이를 응용한 반도체 소자 구조체.
In Article 7,
The above p-type thin film
A multilayer material of gallium oxide polymorph characterized in that it is formed of any one of oxides including NiO, CuO and IrO capable of securing a pn junction with gallium oxide and a nitride including GaN, and a semiconductor device structure using the same.
 기판 상에 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막을 형성하는 단계;
상기 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막 상에 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막의 밴드갭 보다 낮은 밴드갭을 갖는 이종 산화갈륨 박막을 형성하는 단계; 및
상기 이종 산화갈륨 박막 상에 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 이종 산화갈륨 박막은 β-Ga2O3 박막 또는 κ-Ga2O3 박막이되, 상기 이종 산화갈륨 박막은 4.8 ~ 5.0eV의 밴드갭을 갖는 β-Ga2O3 박막 또는 4.6 ~ 4.8eV의 밴드갭을 갖는 κ-Ga2O3 박막이고, 상기 제1 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막 각각은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 가지며,
상기 이종 산화갈륨 박막은 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성하는 것에 의해, 상변형 없이 상기 제1 n-타입 α-Ga2O3 박막, 이종 산화갈륨 박막 및 제2 n-타입 α-Ga2O3 박막이 차례로 다층으로 적층되어, 단일 양자 우물 구조를 갖는 n-i-n 광검출기(n-i-n photodetector)로 활용되는 것을 특징으로 하는 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법.
A step of forming a first n-type α-Ga 2 O 3 thin film on a substrate;
A step of forming a hetero-gallium oxide thin film having a lower band gap than the band gap of the first n-type α-Ga 2 O 3 thin film on the first n-type α-Ga 2 O 3 thin film; and
A step of forming a second n-type α-Ga 2 O 3 thin film on the heterogeneous gallium oxide thin film;
The above hetero-gallium oxide thin film is a β-Ga 2 O 3 thin film or a κ-Ga 2 O 3 thin film, wherein the hetero-gallium oxide thin film is a β-Ga 2 O 3 thin film having a band gap of 4.8 to 5.0 eV or a κ-Ga 2 O 3 thin film having a band gap of 4.6 to 4.8 eV, and each of the first and second n-type α-Ga 2 O 3 thin films has a band gap of 5.1 to 5.4 eV.
A method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph, characterized in that the heterogeneous gallium oxide thin film is formed by epitaxial growth at a temperature of 600° C. or lower, so that the first n-type α-Ga 2 O 3 thin film, the heterogeneous gallium oxide thin film, and the second n-type α-Ga 2 O 3 thin film are sequentially laminated in multiple layers without phase transformation, and the heterogeneous gallium oxide thin film is utilized as a nin photodetector having a single quantum well structure.
 삭제delete 삭제delete 삭제delete 기판 상에 α-Ga2O3 박막을 형성하는 단계;
상기 α-Ga2O3 박막 상에 β-Ga2O3 박막을 형성하는 단계; 및
상기 β-Ga2O3 박막 상에 κ-Ga2O3 박막을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 α-Ga2O3 박막은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖고, 상기 β-Ga2O3 박막은 4.8 ~ 5.0eV의 밴드갭을 갖고, 상기 κ-Ga2O3 박막은 4.6 ~ 4.8eV의 밴드갭을 가지며,
상기 β-Ga2O3 박막 및 κ-Ga2O3 박막 각각은 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성하는 것에 의해, 상변형 없이 상기 α-Ga2O3 박막, β-Ga2O3 박막 및 κ-Ga2O3 박막이 차례로 다층으로 적층되어, 탠덤 구조를 갖는 태양전지 또는 광검출기로 활용되는 것을 특징으로 하는 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법.
A step of forming an α-Ga 2 O 3 thin film on a substrate;
A step of forming a β-Ga 2 O 3 thin film on the above α-Ga 2 O 3 thin film; and
A step of forming a κ-Ga 2 O 3 thin film on the above β-Ga 2 O 3 thin film;
The above α-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 5.1 to 5.4 eV, the above β-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 4.8 to 5.0 eV, and the above κ-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 4.6 to 4.8 eV.
A method for forming a multilayer structure of gallium oxide polymorph, characterized in that each of the above β-Ga 2 O 3 thin film and the κ-Ga 2 O 3 thin film is formed by epitaxial growth at a temperature of 600° C. or lower, so that the α-Ga 2 O 3 thin film, the β-Ga 2 O 3 thin film, and the κ-Ga 2 O 3 thin film are sequentially laminated in multiple layers without phase transformation, and are utilized as a solar cell or photodetector having a tandem structure.
 삭제delete 기판 상에 n-타입 α-Ga2O3 박막을 형성하는 단계;
상기 n-타입 α-Ga2O3 박막 상에 κ-Ga2O3 박막 및 α-Ga2O3 박막을 수직 방향으로 교번적으로 적어도 2회 이상 적층하여 이종 산화갈륨 적층 구조물을 형성하는 단계; 및
상기 α-Ga2O3 박막 상에 p-타입 박막을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 n-타입 α-Ga2O3 박막은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 갖고, 상기 κ-Ga2O3 박막은 4.6 ~ 4.8eV의 밴드갭을 갖고, 상기 α-Ga2O3 박막은 5.1 ~ 5.4eV의 밴드갭을 가지며,
상기 이종 산화갈륨 적층 구조물은 n-타입 α-Ga2O3 박막 상에 κ-Ga2O3 박막 및 α-Ga2O3 박막이 수직 방향으로 교번적으로 적어도 2회 이상 적층되어 형성되고,
상기 κ-Ga2O3 박막은 600℃ 이하의 온도에서 에피 성장으로 형성하는 것에 의해, 상변형 없이 상기 n-타입 α-Ga2O3 박막, κ-Ga2O3 박막 및 α-Ga2O3 박막이 수직 방향으로 교번적으로 적어도 2회 이상 적층된 이종 산화갈륨 적층 구조물 및 p-타입 박막이 차례로 다층으로 적층되어, 멀티 양자 우물 구조를 갖는 UV-LED 또는 UV 레이저로 활용되는 것을 특징으로 하는 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법.
A step of forming an n-type α-Ga 2 O 3 thin film on a substrate;
A step of forming a heterogeneous gallium oxide layered structure by alternately stacking a κ-Ga 2 O 3 thin film and an α-Ga 2 O 3 thin film at least twice in a vertical direction on the n-type α-Ga 2 O 3 thin film; and
A step of forming a p-type thin film on the above α-Ga 2 O 3 thin film;
The above n-type α-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 5.1 to 5.4 eV, the above κ-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 4.6 to 4.8 eV, and the above α-Ga 2 O 3 thin film has a band gap of 5.1 to 5.4 eV.
The above hetero-gallium oxide layered structure is formed by alternately stacking a κ-Ga 2 O 3 thin film and an α-Ga 2 O 3 thin film at least twice in the vertical direction on an n-type α-Ga 2 O 3 thin film,
A method for forming a multilayer structure of gallium oxide polymorph, characterized in that the above κ-Ga 2 O 3 thin film is formed by epitaxial growth at a temperature of 600° C. or lower, so that the n-type α-Ga 2 O 3 thin film, the κ-Ga 2 O 3 thin film, and the α-Ga 2 O 3 thin film are alternately stacked at least twice in the vertical direction without phase transformation, and the p-type thin film is sequentially stacked in multiple layers, and is utilized as a UV-LED or UV laser having a multi-quantum well structure.
 삭제delete 제16항에 있어서,
상기 p-타입 박막은
산화갈륨과 p-n 접합을 확보할 수 있는 NiO, CuO 및 IrO을 포함하는 산화물 및 GaN을 포함하는 질화물 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 산화갈륨 다형체의 다층 구조물 형성 방법.In Article 16,
The above p-type thin film
A method for forming a multilayer structure of a gallium oxide polymorph, characterized in that the multilayer structure is formed of any one of an oxide including NiO, CuO and IrO capable of securing a pn junction with gallium oxide and a nitride including GaN.
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