Si 도핑 β-Ga2O3 세라믹 타겟의 최적화 및 박막 기반 자외선 포토디텍터 특성 분석 = Optimization of Si-Doped β-Ga2O3 Ceramic Targets and Analysis of Thin-Film-Based Ultraviolet Photodetector Characteristics

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

β-Ga2O3, an ultra-wide-bandgap (UWBG) semiconductor, has attracted significant attention as a promising material for next-generation power electronic and ultraviolet (UV) optoelectronic devices due to its wide bandgap (4.7–4.9 eV) and high breakdown electric field. However, its intrinsically low conductivity necessitates n-type doping, among which Si is the most widely adopted dopant owing to its high activation efficiency and stable substitutional incorporation into the lattice. This study systematically investigates the effects of Si doping concentration (0.5–2 wt%) and sintering temperature (1300–1500℃) on the structural and phase characteristics of ceramic sputtering targets, and further evaluates how target quality influences the properties of deposited thin films and the performance of UV photodetectors.
XRD, EDS, density measurements, and contact-angle analyses revealed that the 1 wt% Si-doped target sintered at 1500℃ exhibited the highest relative density (~93%), superior crystallinity, and a pronounced reduction in residual Si-related peaks, indicating the most effective Si incorporation. The surface free energy also remained stable under this condition, contributing to improved sputtering stability and reduced impurity release.
Thin films deposited using the optimized target showed enhanced crystallinity with increasing post-annealing temperature, and films annealed at 800℃ demonstrated the most uniform microstructure and stable optical properties. A 254nm UV photodetector fabricated using these films exhibited excellent performance, including a photocurrent of approximately 23.3μA at +4V, a high on/off ratio, a responsivity of 15.53 mA/W, and a detectivity of 3.02 × 1015 Jones.
Overall, this study experimentally identifies 1 wt% Si doping at 1500℃ as the optimal condition for producing high-density and highly crystalline β-Ga2O3 ceramic targets, and confirms that such targets enable high-quality thin-film growth and high-performance UV photodetectors. These findings provide important foundational insights for target engineering and thin-film process optimization aimed at improving the performance of β-Ga2O3 -based UWBG electronic and optoelectronic devices.

국문 초록 (Abstract)

초광대역갭(ultra-wide bandgap, UWBG) 반도체인 β-Ga2O3는 넓은 밴드갭(4.7–4.9 eV)과 높은 절연 파괴 전계 특성으로 차세대 전력전자 및 자외선 광전자 소자에 중요한 소재로 주목받고 있다. 그러나 낮은 본질적 전도성을 보완하기 위해서는 n-type 도핑이 요구되며, 그중 Si은 높은 활성화 효율과 안정적인 격자 치환 거동으로 가장 널리 활용된다. 본 연구는 Si 도핑 농도(0.5–2 wt%)와 소결 온도(1300–1500℃)가 세라믹 스퍼터링 타겟의 구조·상 특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석하고, 타겟 품질 변화가 박막 및 자외선 포토디텍터 성능에 미치는 상관성을 규명하고자 하였다.
제조된 타겟의 XRD, EDS, 밀도, 접촉각 분석 결과 1 wt% Si·1500℃ 조건에서 가장 높은 상대밀도(약 93%), 우수한 결정성, 그리고 Si 관련 잔류 피크의 현저한 감소가 나타나 Si 치환이 가장 효과적으로 일어나는 최적 조성임을 확인하였다. 표면 자유에너지도 이 조건에서 안정적으로 유지되어 스퍼터링 공정 중 비산 특성 및 타겟 안정성 측면에서 유리한 거동을 보였다.
해당 최적 타겟을 이용해 증착된 β-Ga2O3 박막은 열처리 온도 증가에 따라 결정성이 향상되었으며, 800℃에서 가장 균일한 미세구조와 안정적인 광학적 특성이 확보되었다. 이를 기반으로 제작한 254 nm UV 포토디텍터는 +4 V에서 약 23.3μA의 광전류, 높은 On/Off 대비, Responsivity 15.53 mA/W, Detectivity 3.02 × 1015 Jones의 우수한 성능을 나타냈다.
종합적으로, 본 연구는 1 wt% Si·1500℃ 조건이 고밀도·고결정 β-Ga2O3 세라믹 타겟의 최적 제조 조건임을 실험적으로 제시하였으며, 이러한 타겟 기반 박막이 고성능 UV 소자 구현에 직접적으로 기여함을 확인하였다. 본 결과는 β-Ga2O3 기반 UWBG 소자의 성능 향상을 위한 타겟 엔지니어링 및 박막 공정 최적화의 중요한 기초 자료로 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제 2 장 이론적 배경 및 문헌 연구 3
• 2.1 β-Ga2O3 기본이론 3
• 2.1.1 결정 구조와 다형성 (Polymorphs) 4
• 2.1.2 밴드구조 및 광학적 특성 5
• 2.1.3 전기적 특성 및 산소 결함 역할 7
• 2.1.4 도핑효과 8
• 2.2 박막 증착 방법 9
• 2.2.1 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 9
• 2.2.2 펄스 레이저 증착(Pulsed Laser Deposition, PLD) 9
• 2.2.3 2.2.3 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy, MBE) 10
• 2.2.4 금속유기화학 기상증착 (Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) 10
• 2.2.5 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 11
• 2.2.6 RF 및 DC 마그네트론 스퍼터링(RF/DC Magnetron Sputtering) 11
• 2.2.7 On-axis / Off-axis RF 스퍼터링 12
• 2.3 β-Ga2O3 박막 특성 13
• 2.3.1 산소 공공(Oxygen Vacancy)과 박막 특성 변화 13
• 2.3.2 후열처리(Annealing)에 따른 구조·전기적 특성 15
• 2.3.3 Si 도핑 박막의 전기·광학 특성 17
• 2.4 PD 특성 20
• 2.4.1 UVC 광응답 메커니즘과 밴드갭 20
• 2.4.2 광전류–전압(I–V) 특성 및 다크전류 21
• 제3장 실험장비 및 측정장비 22
• 3.1 Si-doped β-Ga2O3 powder 및 sputtering target 제작 22
• 3.1.1 Si-doped β-Ga2O3 powder 혼합 및 Ball milling 공정 22
• 3.1.2 타겟 제작 과정 23
• 3.2 High-Quality Si-doped β-Ga2O3 박막 증착 24
• 3.2.1 RF Sputtering 기반 박막 증착 24
• 3.2.2 Metal Deposition and Photolithography Patterning 27
• 3.3 실험 및 측정장비 29
• 3.3.1 XRD (X-Ray Diffraction, X선 회절 장치) 29
• 3.3.2 SEM (Scanning Electron Microscope, 주사전자현미경) 29
• 3.3.3 EDS (Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, 에너지 분산형 X 선 분석기) 29
• 3.3.4 Contact Angle 측정기 (Contact Angle Analyzer) 29
• 3.3.5 광학적 분석 장비 (Optical Characterization Equipment) 30
• 3.3.6 전압·전류 소스-측정기 (Source Measure Unit, SMU) 30
• 3.3.7 고온로 (Furnace) 30
• 3.3.8 초음파 세척기 (Ultrasonic Cleaner) 30
• 3.3.9 열 증착기 (Thermal Evaporator) 31
• 3.3.10 광리소그래피 장비 (Photolithography System) 31
• 제4장 실험 결과 및 고찰 32
• 4.1 Si-doped β-Ga2O3 세라믹 타겟의 구조 및 물성 분석 32
• 4.1.1 Si 도핑 농도 변화에 따른 파우더 형태 및 원소 조성 분석 32
• 4.1.2 소결 온도(1300–1500℃)와 도핑 농도에 따른 세라믹 타겟의 밀도 변화 분석 34
• 4.1.3 소결 온도 증가에 따른 Si-doped β-Ga2O3 타겟의 결정 구조 (XRD) 분석 36
• 4.1.4 Si 도핑 농도 변화에 따른 Si(111) 피크 거동 및 불순물 상 분석 39
• 4.1.5 Si 도핑 농도에 따른 결정립 크기(Crystallite size) 변화 42
• 4.1.6 Si 도핑 농도에 따른 세라믹 타겟의 접촉각 및 표면 자유 에너지(surface free energy) 변화 분석 44
• 4.2 Si-doped β-Ga2O3 박막의 물성 평가 및 소자 특성 분석 46
• 4.2.1 열처리 온도(600–900℃)에 따른 Si-doped β-Ga2O3 박막의 광학적 밴드갭 분석 46
• 4.2.2 열처리 온도 변화에 따른 Si-doped β-Ga2O3 박막의 결정 구조 (XRD) 분석 48
• 4.2.3 Si-doped β-Ga2O3 박막의 표면 및 단면 미세구조(SEM) 분석 50
• 4.2.4 800℃ 열처리된 Si-doped β-Ga2O3 Photodetector의 I–V 특성 및 광응답 분석 52
• 제5장 결론 54
• 5.1 Si-doped β-Ga2O3세라믹 타겟 특성 54
• 5.2 Si-doped β-Ga2O3 박막 특성 54
• 5.3 Si-doped β-Ga2O3 Photodetector 성능 평가 55
• 참고문헌 57
• ABSTRACT 63