산화갈륨 기반 심자외선 포토다이오드 성능 향상을 위한 공정 최적화 연구 = Process Optimization for High-Performance Ga2O3 based Deep-Ultraviolet Photodiode

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 β-Ga₂O₃ 기반 심자외선(Deep Ultraviolet, DUV) 포토다이오 드의 성능을 향상시키기 위한 공정 최적화 방안을 제시하였다. β-Ga₂O₃는 약 4.9 eV의 넓은 밴드갭과 우수한 열적·화학적 안정성을 갖는 n형 산화물 반도 체로, 태양광 간섭 없이 UV-C(100–280 nm) 영역의 검출에 적합한 물질이다. 본 연구에서는 RF/DC 마그네트론 스퍼터링 공정을 통해 NiO/β-Ga₂O₃ 이종접 합 기반 포토다이오드를 제작하고, 전처리 방법, 에피층 두께, 후열처리 조건 (온도 및 분위기)에 따른 전기적·광학적 특성 변화를 체계적으로 분석하였다. 전처리 공정에서는 열처리를 통해 산화갈륨 기판 표면의 오염과 트랩을 효과적으로 제거하여 이동도와 전도도가 개선됨을 확인하였다. 에피층 두께 변화 실험에서는 ICP 식각으로 인한 플라즈마 손상이 소자의 암전류를 증가시 켜, 식각을 수행하지 않은 5 µm 시료가 가장 안정적인 동작 특성을 보였다. RTA 온도에 따른 후열처리 결과, 200 °C 시료가 Zero bias에서 최고 광전류 (1.74×10⁻⁶ A)를 보였으나, 300 °C 시료는 낮은 암전류와 안정된 응답 특성, Photovoltaic, Photoconductive mode에서의 안정성을 동시에 확보하여 최적의 균형점을 나타냈다. 이후 300 °C에서 분위기별 후열처리를 수행한 결과, O₂ 분 위기에서 열처리된 시료가 향상된 광전류를 나타내었으며, 이는 NiO 내 니켈 공공 유지와 공핍층 확장에 따른 전하 분리 효율 향상에 기인한다. 따라서, β-Ga₂O₃ 기반 DUV 포토다이오드의 표면 열처리를 통한 트랩 제 거와 O₂ 분위기 후열처리를 통한 결함 제어를 통해 소자 성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과는 고성능 Solar-blind UV 센서 개발에 유 용한 공정적 설계 지침을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서 론 8
• 제 2 장 이론적 배경 10
• 2.1 Photodiode 10
• 2.1.1 Photodiode 의 구조와 동작원리 10
• 2.1.2 Photodiode 의 분류 14
• 2.1.3 Photodiode 의 평가 지표 17
• 2.2 산화물 반도체 기반의 Photodiode 19
• 2.2.1 밴드 구조 이론 19
• 2.2.2 박막의 Band gap 과 Wide Band Gap 20
• 2.2.3 n 형 산화물 반도체: β-Ga2O3 21
• 2.2.4 p 형 산화물 반도체: NiO 22
• 2.3 소자 제작 공정 23
• 2.3.1 증착 공정: DC & RF Magnetron Sputtering 23
• 2.3.2 패터닝: Photolithography & Lift-off 26
• 2.3.3 식각: ICP Etching 29
• 2.3.4 후열처리 공정 32
• 제 3 장 실험 방법 34
• 3.1 β-Ga2O3 웨이퍼의 전처리 34
• 3.2 β-Ga2O3 epitaxial layer 두께 제어 36
• 3.3 Photodiode 의 온도, 기체에 따른 후열처리 39
• 제 4 장 결과 및 토의 41
• 4.1 β-Ga2O3 웨이퍼의 전처리 조건에 따른 특성 41
• 4.1.1 전기적 특성 41
• 4.1.2 광학적 특성 44
• 4.2 β-Ga2O3 epitaxial layer 두께에 따른 특성 47
• 4.3 RTA 온도에 따른 Photodiode 특성 51
• 4.3.1 I-V 특성 51
• 4.3.2 Zero bias에서의 특성 54
• 4.3.3 5 V bias에서의 특성 58
• 4.4 RTA 분위기에 따른 Photodiode 특성 62
• 4.4.1 I-V 특성 62
• 4.4.2 Zero bias에서의 특성 65
• 4.4.3 5 V bias에서의 특성 68
• 제 5 장 결 론 72
• 참고문헌 74
• ABSTRACT 82