N‑도핑 β‑Ga₂O₃ 디바이스에서 비선형 광전도 이득의 실험적 구현

초록

본 연구는 5.6 µm 두께의 질소‑도핑 반절연 β‑Ga₂O₃ 에피택시층을 전도성 Sn‑도핑 기판 위에 성장시켜, 445 nm 연속파 레이저로 조사했을 때 전계가 0.67 MV/cm를 초과하면 광전류가 약 20배 급증하는 비선형 포토컨덕티브 이득을 실증하였다. TCAD 시뮬레이션을 통해 고전계 영역에서 충격이온화에 의한 캐리어 승수가 발생함을 확인했으며, 이는 트랩‑보조 전송 메커니즘과 결합해 고이득 동작을 가능하게 한다.

상세 분석

이 논문은 초와이드 밴드갭(ultra‑wide‑bandgap, UWBG) 반도체인 β‑Ga₂O₃의 고전계 광전도 특성을 최초로 실험적으로 규명한다는 점에서 의미가 크다. 기존 β‑Ga₂O₃ 포토디텍터는 주로 4.8 eV에 해당하는 DUV(심자외선) 영역에서 밴드갭 전이를 이용해 높은 감도를 얻었으며, 가시광선 검출은 깊은 결함 레벨을 통한 서브밴드갭 이온화에 의존한다. 그러나 대부분의 보고된 장치는 광전류가 입사 광세기와 선형적으로 비례하는 선형 포토컨덕티브 영역에 머물러, 고전압에서의 전류 증폭이 제한적이었다.

본 연구는 질소(N) 도핑을 통해 에피택시층에 깊은 수락형 트랩(N‑acceptor, Eₜ≈ 2.9 eV 아래) 을 도입하고, 고전도성 Sn‑도핑 기판과의 수직 구조를 채택함으로써 전계 집중을 극대화하였다. 5.6 µm 두께와 0.67 MV/cm 정도의 임계 전계에서 전계‑보조 탈트 방출(trap‑assisted release)과 충격이온화(impact‑ionization)가 동시에 활성화된다. 실험 I‑V 곡선에서 300 V 이하에서는 광전류가 전압에 거의 비례하는 선형 구간을 보이지만, 325 V~350 V를 초과하면 급격히 비선형적으로 상승해 475 µA까지 도달한다. 이는 다중 캐리어 생성 메커니즘이 작동함을 의미한다.

TCAD(Silvaco ATLAS) 시뮬레이션은 전계가 400 V 이상에서 1.5 MV/cm를 초과하는 국부 영역을 형성하고, Selber‑Herr 모델을 적용한 충격이온화 생성율이 10¹⁶–10¹⁸ cm⁻³·s⁻¹ 수준으로 급증함을 보여준다. 전계가 강하게 집중된 접촉 근처에서 발생한 승수 전자는 트랩‑보조 전송에 의해 전반적인 전류를 증폭시킨다. 또한, 시간 응답 측정에서 고전압에서 초기 피크와 그 후의 감쇠가 관찰되는데, 이는 빠른 캐리어 생성 후 트랩에 의한 재결합·재포획 과정을 반영한다.

핵심 인사이트는 다음과 같다. (1) 질소 트랩이 존재함에도 불구하고, 고전계에서 충격이온화가 충분히 강해져 비선형 이득을 제공한다. (2) 수직 구조와 전도성 기판을 이용한 전계 집중 설계가 낮은 전압(≈ 400 V)에서 MV/cm 수준의 전계를 구현할 수 있게 한다. (3) 가시광선(445 nm)만으로도 실질적인 전류 승수를 얻을 수 있어, DUV 광원 없이도 고전압 포토스위치 혹은 센서에 활용 가능하다. (4) 트랩‑보조 전송과 충격이온화가 복합적으로 작용하는 메커니즘은 기존 GaAs 기반 PCSS와 유사하지만, β‑Ga₂O₃의 높은 임계 전계와 열적 안정성 덕분에 더 높은 전압 및 전력 밀도를 기대할 수 있다.

이러한 결과는 β‑Ga₂O₃ 기반 광전도 스위치가 가시광선 트리거링으로도 고전류 스위칭이 가능함을 입증하며, 향후 고전압·고전류 전자·광학 시스템(예: 고전압 펄스 전원, 광학 트리거형 스위치, 방사선·화학 센서)에서 DUV 광원 제거를 통한 시스템 단순화와 비용 절감에 기여할 전망이다.