CuGaO2/Ga2O3 이종접합 형성 및 Si 웨이퍼로의 확장을 위한 YSZ 성장 연구 = Study on CuGaO2/Ga2O3 Heterojunction Formation with YSZ Buffer Layers for Extension to Si Wafers|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ga2O3 is a semiconductor with a wide band gap of approximately 4.8-4.9 eV, which enables a high breakdown electric field (8 MV/cm), making it a highly promising material for next-generation power device applications. However, stable p-type doping is virtually unattainable due to unintentional doping and strong self-compensation effects, and the lack of mature high-quality large-area wafer technology further imposes fundamental limitations on device integration and process scalability. To overcome these challenges, this study aims to compensate for the intrinsic limitations of Ga2O3 through heterojunction formation with a p-type oxide and to propose an oxide buffer layer growth strategy that enables integration with Si wafer-based processes.
First, amorphous Cu films were deposited on Ga2O3 (100) substrates by RF magnetron sputtering and subsequently converted into CuGaO2 (015) films via solid-phase epitaxy. The resulting films exhibited high crystallinity, a uniform interface, and an optical bandgap of approximately 3.52 eV. For Mg doped CuGaO2, a hole concentration of 2.67×1018 cm-3 and a mobility of 7.7 cm2/V·s were obtained. The heterojunction composed of p-type CuGaO2 and n-type Ga2O3 displayed clear rectifying behavior, confirming its operation as a p-n diode and demonstrating that CuGaO2 can serve as an effective p-type component in Ga2O3-based devices.
Second, to enable the integration of Ga2O3 onto Si, YSZ buffer layers were grown on Si substrates using pulsed laser deposition. Bayesian optimization was employed to efficiently identify optimal growth conditions by varying oxygen partial pressure and substrate temperature. The optimized YSZ film exhibited a crystalline quality comparable to the best reported values and an exceptionally smooth surface with a roughness of approximately 0.48 nm. Ga2O3 films were subsequently grown on the optimized YSZ layers, confirming that YSZ provides favorable crystallographic alignment and functions effectively as a buffer layer.
Overall, this work successfully demonstrates the formation of a Ga2O3-based p-n heterojunction using high-quality CuGaO2 films and the establishment of a high-crystallinity YSZ buffer platform on Si substrates. These results collectively mitigate key structural limitations of Ga2O3 and highlight a pathway toward integrating Ga2O3 device technology with existing Si-based processing, providing a foundation for future studies on oxide thin films and heterojunction architectures.

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국문 초록 (Abstract)

Ga2O3는 약 4.8-4.9 eV의 넓은 밴드갭으로 인한 높은 항복 전계(8 MV/cm)를 지닌 반도체로, 차세대 전력 소자 응용에 매우 유망한 물성을 갖는다. 그러나 비의도적인 도핑과 강한 자가 보상 효과로 인해 안정적인 p-형 도핑이 사실상 불가능하며, 고품질 대면적 웨이퍼 기술 또한 충분히 확립되지 않아 소자 집적과 공정 확장에 근본적인 제약이 존재한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 본 연구에서는 p-형 산화물과의 이종접합 형성을 통해 Ga2O3의 기능을 보완하고, Si 웨이퍼 기반 공정으로의 확장이 가능한 산화물 버퍼층 성장 전략을 제안하고자 한다.
첫 번째로, 고체상 에피택시 방법을 이용하여 에피택셜 CuGaO2 (015) 박막을 Ga2O3 (100) 기판 위에서 합성하였다. 에피택셜 CuGaO2 박막은 높은 결정성과 균일한 계면을 보였으며 약 3.52 eV의 밴드갭을 나타냈다. Mg 도핑된 CuGaO2 시료에서는 정공 농도 2.67×1018 cm-3과 이동도 7.7 cm2/V·s가 측정되었다. p-형 CuGaO2와 n-형 Ga2O3의 접합 구조는 순방향 전류 증가와 역방향 차단을 명확히 보이며 이종접합 p-n 다이오드로 동작하였다. 이를 통해 CuGaO2가 Ga2O3 기반 소자에서 실질적인 p-형 영역을 제공할 수 있음을 확인하였다.
두 번째로, Si 웨이퍼 위 Ga2O3 성장을 위해 버퍼층인 YSZ 박막을 펄스 레이저 증착법으로 성장하였다. 산소 분압과 성장 온도를 주요 변수로 두고 베이지안 최적화를 적용하여 성장 조건을 탐색하였다. 최적 조건에서 성장된 YSZ 박막은 보고된 최고품질에 근접한 결과를 보였으며 표면 거칠기는 약 0.48 nm로 매우 평탄하였다. 이후 동일 플랫폼 위에서 Ga2O3 박막을 성공적으로 성장하였다. 이를 통해 YSZ가 Si와의 결정학적 정합을 확보하며 Ga2O3를 성장시킬 수 있는 버퍼층임을 확인하였다.
본 연구는 CuGaO2 박막을 이용한 Ga2O3 기반 p-n 이종접합 구현과 Si 웨이퍼 위 고품질 YSZ 버퍼층 형성 및 Ga2O3 성장을 달성하였다. 이 두 결과는 Ga2O3 소자의 구조적 한계를 보완하고 기존 Si 웨이퍼 기반 공정과 결합 가능성을 제시하며 향후 다양한 산화물 박막과 이종접합 연구로 확장될 기반을 마련한다.

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Ga2O3는 약 4.8-4.9 eV의 넓은 밴드갭으로 인한 높은 항복 전계(8 MV/cm)를 지닌 반도체로, 차세대 전력 소자 응용에 매우 유망한 물성을 갖는다. 그러나 비의도적인 도핑과 강한 자가 보상 효과로 ...

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