전도성 알루미늄 갈륨 옥사이드 이종구조의 열안정성 및 상변환 연구

초록

플루오린 도핑된 α‑(Al₀.₁₆Ga₀.₈₄)₂O₃/Ga₂O₃ 이종구조를 미스트‑CVD로 성장시켜 전자 이동도 28 cm²·V⁻¹·s⁻¹, 전자 농도 1.4×10²⁰ cm⁻³를 달성하였다. 인‑시투 고온 XRD, SEM, AFM 분석 결과, 550 ~ 575 °C에서 α‑상에서 β‑상으로 전이되며, 변환 후 β‑상은 주로 다결정 형태이고 표면이 크게 손상된다. 가열 전후의 전위 결함 분석은 엣지 전위밀도가 스크류 전위밀도보다 지속적으로 높아, 평면 내 모자이크 구조가 주된 결함임을 보여준다.

상세 분석

본 연구는 전도성 α‑(Al₀.₁₆Ga₀.₈₄)₂O₃/Ga₂O₃ 이종구조의 열안정성을 체계적으로 규명하기 위해 인‑시투 고온 X‑ray 회절(HT‑XRD), 주사 전자 현미경(SEM), 원자 힘 현미경(AFM) 등을 활용하였다. 미스트‑CVD 공정에서 Ga(acac)₃와 Al(acac)₃·NH₄F 전구체를 각각 450 °C와 470 °C에서 N₂·O₂ 운반가스로 공급함으로써, 두께 1 µm의 α‑Ga₂O₃ 기판 위에 100 nm 두께의 α‑(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃(Al 함량 x≈0.16) 층을 형성하였다. 플루오린 도핑은 전자 농도를 10²⁰ cm⁻³ 수준으로 끌어올리는 동시에, 기존 Sn‑도핑 대비 열적 안정성을 향상시키는 역할을 한다는 것이 이전 연구와 일치한다.

HT‑XRD 2θ‑ω 스캔에서 25 °C에서는 α‑Ga₂O₃(0006) 피크가 40.5°에, 사파이어 기판 피크가 41.6°에 위치한다. 온도가 575 °C에 도달하면 β‑Ga₂O₃(2̅01) 피크가 38.2° 부근에 약하게 나타나기 시작하고, 600 °C에서는 β‑피크가 급격히 강화되면서 α‑피크는 거의 사라진다. 이는 α→β 상전이가 575 ~ 600 °C 구간에서 급격히 진행됨을 의미한다. 피크 강도 분석에 따르면, β‑피크는 온도 상승에도 불구하고 강도가 증가하는데, 이는 β‑상 결정립이 핵생성·성장 과정을 겪으며 부피 비중이 증가하기 때문이다. 그러나 피크 폭이 넓어 다결정성(polycrystalline) 특성을 나타내며, 고품질 에피택시와는 거리가 있다.

대칭·비대칭 RSM 측정은 전위 결함의 정량적 변화를 제공한다. 온도 25 °C에서 α‑Ga₂O₃와 α‑(Al₀.₁₆Ga₀.₈₄)₂O₃ 피크는 명확히 구분되지만, 575 °C 이상에서는 두 피크가 점차 약해지고 β‑Ga₂O₃ 피크가 나타난다. 전위밀도 추정 결과, 엣지 전위(edge dislocation) 밀도가 스크류 전위(screw dislocation) 밀도보다 항상 높으며, 특히 500 ~ 600 °C 구간에서 엣지 전위가 급증한다. 이는 α‑상에서 평면 내 모자이크 구조가 주된 결함 메커니즘이며, 고온에서 이러한 전위가 β‑상으로 전이될 때 핵심적인 역할을 함을 시사한다.

SEM과 AFM 분석은 구조적 변화를 시각적으로 확인한다. 550 °C 이하에서는 표면이 매끄럽고 균일하지만, 600 °C 이상에서는 표면 거칠기가 급격히 증가하고, 균열 및 구멍이 형성된다. 이는 β‑상으로 전이되면서 부피 팽창과 잔류 응력이 발생해 필름이 파괴되는 현상이다.

전반적으로, 플루오린 도핑이 전도성 α‑(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃의 열적 안정성을 약 550 °C까지 연장시키지만, 그 이상에서는 α→β 상전이가 불가피하며, 변환된 β‑상은 다결정성 및 표면 손상이 심각하다. 따라서 고온 공정(예: 이온 주입 후 어닐딩, 금속 접촉 형성 등)을 수행할 때는 온도를 500 °C 이하로 제한하거나, β‑상 전이 억제를 위한 추가 버퍼층(예: 고 Al 함량의 α‑(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃) 도입이 필요하다.