반도체 성장 반응기 높이가 β‑Ga₂O₃ 박막 결정성에 미치는 영향

초록

본 연구는 MOCVD에서 샤워헤드형 반응기의 천장 높이(reactor ceiling height)를 달리한 두 가지 구성(긴 챔버와 짧은 챔버)을 비교하여 β‑Ga₂O₃ 박막의 결정성 및 표면 거칠기에 미치는 영향을 조사하였다. 인‑시투 고온 X‑ray 회절(HT‑XRD)과 원자힘 현미경(AFM) 분석을 통해 두 구조 모두 25 °C에서 1100 °C까지 가열했을 때 (‑201) 피크의 레드시프트가 관찰되었으며, 이는 열에 의한 균열 완화를 의미한다. 록킹 커브(FWHM)와 RMS 거칠기는 짧은 챔버에서 각각 약 2.03°와 7.7 nm으로, 긴 챔버 대비 우수한 결정 정렬과 매끄러운 표면을 보였다. 결과는 반응기 높이가 성장 초기의 결정 템플릿과 고온 처리 후의 구조 변화를 동시에 제어한다는 점을 시사한다.

상세 분석

본 논문은 β‑Ga₂O₃ 박막 성장에 있어 MOCVD 반응기 설계 파라미터 중 ‘천장 높이(ceiling height)’가 결정성에 미치는 영향을 체계적으로 규명한다. 실험에 사용된 두 종류의 샤워헤드형 반응기는 각각 136.5 mm(짧은 챔버)와 195.3 mm(긴 챔버)의 천장 높이를 갖는다. 천장 높이는 반응기 부피와 직접 연관되며, 식 (1)·(2)·(3)·(4)에서 제시된 바와 같이 가스 체류시간(τ_res)과 확산길이(L_D)를 결정한다. 짧은 챔버는 τ_res와 L_D가 감소해 가스‑상 반응이 억제되고 전구체의 표면 도달 효율이 향상될 가능성이 있다. 반면, 체류시간이 짧아지면 국부적인 전구체 농도 변동에 대한 민감도가 증가해 성장 균일성에 부정적 영향을 줄 수 있다.

HT‑XRD 실험에서는 25 °C에서 1100 °C까지 연속 가열한 뒤 실온으로 냉각하면서 β‑Ga₂O₃(‑201) 피크의 2θ 위치 변화를 추적하였다. 두 챔버 모두 가열 후 피크가 약 0.1° 정도 레드시프트했으며, 이는 열 팽창에 따른 격자 상수 증가와 동시에 성장 시 잔류 응력이 부분적으로 완화된 결과로 해석된다. 피크 강도와 폭은 온도에 따라 뚜렷한 변화를 보이지 않아 상변화는 없었지만, 록킹 커브(FWHM)의 온도 의존성은 비단조적이었다. 특히 짧은 챔버에서 2.03°라는 최소값을 기록했으며, 이는 성장 초기에 형성된 mosaic spread가 고온에서 재정렬되어 일시적으로 감소했음을 의미한다. 반면 긴 챔버는 최소 FWHM가 2.72°로, 초기 mosaic spread가 더 넓어 고온 처리 후에도 완전한 정렬 개선이 어려웠다.

AFM 분석은 표면 거칠기의 차이를 명확히 보여준다. 짧은 챔버에서 성장된 박막은 RMS 7.7 nm(가열 전) → 7.3 nm(가열 후)으로 거의 변하지 않아 표면 평탄성이 유지되었다. 반면 긴 챔버는 19.3 nm → 12.3 nm으로 감소했지만 여전히 거칠기가 높았다. 이는 짧은 챔버에서 전구체의 균일한 확산과 높은 표면 확산이 촉진되어 입자 성장 단계에서 보다 균일한 핵 형성과 평탄한 성장 모드가 이루어졌음을 시사한다.

또한 φ‑scan 결과는 두 구조 모두 60° 간격의 회전 도메인을 보이며, 이는 β‑Ga₂O₃의 단사(monoclinic) 구조와 α‑Al₂O₃(0001) 기판의 6‑fold 대칭 차이에서 비롯된다. 고온 가열이 도메인 구조를 크게 변형시키지는 않았으며, 이는 도메인 형성이 성장 초기의 핵 형성 메커니즘에 의해 결정된다는 점을 강조한다.

결과적으로, 반응기 천장 높이는 가스 체류시간, 확산 길이, 그리고 전구체의 표면 도달 효율을 조절함으로써 성장 초기의 mosaic 정렬과 표면 거칠기를 동시에 제어한다. 짧은 챔버는 보다 짧은 체류시간을 통해 응력 축적을 억제하고, 고온 처리 시 결정 정렬이 더욱 효율적으로 개선되는 경향을 보였다. 이러한 인사이트는 β‑Ga₂O₃와 같은 초와이드 밴드갭(ultra‑wide bandgap) 소재의 고품질 에피택시를 목표로 하는 MOCVD 공정 최적화에 직접적인 설계 가이드를 제공한다.