트랩 제어를 통한 고안정성 베타상 갈륨옥사이드 전계 효과 트랜지스터 및 심자외선 광검출기 응용 연구 = Trap-Controlled High-Stability β-Ga2O3 Field-Effect Transistors and Deep-UV Photodetector Applications

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 기계적 박리 과정에서 발생하는 β-Ga2O3 단결정의 표면 및 계면 트랩을 효과적으로 완화하여, 공정 기인 외부 요인의 영향을 최소화하고 β-Ga2O3의 intrinsic 특성을 평가할 수 있는 소자 기반 크리스탈 평가 플랫폼을 구축하였다. 박리 및 전사 과정에서 형성되는 산소 공공과 계면 트랩은 전계 효과 트랜지스터(Field-Effect Transistor, FET)의 문턱전압 변동, 히스테리시스, 반복 측정 불안정성을 유발하므로, 본 연구에서는 급속 열처리(Rapid Thermal Processing, RTP)를 적용하여 트랩을 제어하였다. XPS 및 EDS 분석을 통해 열처리 후 산소 결함 감소와 계면 화학 상태의 안정화 경향을 확인하였으며, 이러한 트랩 완화는 FET의 문턱전압 안정성 향상과 히스테리시스 제거, 측정 재현성 개선으로 이어져 본 플랫폼이 β-Ga2O3 단결정의 intrinsic 전기적 거동을 정밀하게 평가할 수 있음을 입증하였다.

더 나아가 동일 구조를 3단자 심자외선(Deep-UV) 광검출기(photodetector)로 구현하여 RTP 열처리에 따른 광전류 특성을 비교하였다. 그 결과 265 nm 파장에서 responsivity와 광전류–암전류비(PDCR)가 증가하고, 지속 광전도(persistent photoconductivity, PPC)가 완화되는 등 트랩 감소 효과가 광응답 메커니즘에도 동일하게 반영됨을 확인하였다.

이와 같이 본 연구에서 제시한 RTP 기반 β-Ga2O3 크리스탈 평가 플랫폼은 전계효과트랜지스터뿐만 아니라 Deep-UV photodetector에서도 intrinsic 특성을 비교⋅분석할 수 있는 신뢰성 높은 평가 도구로 기능함을 보였으며, 향후 β-Ga2O3 성장 품질 분석 및 전력⋅광전자 소자 개발의 핵심 기반 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, a device-based crystal evaluation platform was developed to minimize process-induced external factors and accurately assess the intrinsic properties of mechanically exfoliated β-Ga2O3 single crystals. Mechanical exfoliation and transfer introduce surface and interfacial trap states such as oxygen vacancies and dangling bonds, which lead to threshold voltage instability, hysteresis, and poor reproducibility in field-effect transistors (FETs). To mitigate these issues, rapid thermal processing (RTP) was employed to reorganize trap states at the β-Ga2O3 surface and β-Ga2O3/SiO2 interface. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and energy-dispersive spectroscopy (EDS) analyses confirmed a reduction in oxygen-related defects and improved interfacial chemical stability after annealing. These improvements resulted in enhanced threshold voltage stability, elimination of hysteresis, and increased measurement reproducibility, demonstrating that the proposed platform enables reliable evaluation of the intrinsic electrical behavior of β-Ga2O3 single crystals.

Furthermore, the same structure was implemented as a three-terminal deep-ultraviolet (Deep-UV) photodetector to examine whether the trap reduction achieved through RTP also influences optical response characteristics. Under 254 nm illumination, the device exhibited increased responsivity and photo-to-dark current ratio (PDCR), along with a substantial reduction in persistent photoconductivity (PPC), indicating that the mitigation of trap states directly contributes to improved optical performance.
Overall, the RTP-based β-Ga2O3 crystal evaluation platform presented in this work serves as a reliable method for assessing intrinsic electrical and optical properties in both FETs and Deep-UV photodetectors. This platform is expected to provide a practical basis for comparing crystal quality, optimizing growth and doping conditions, and advancing high-performance β-Ga2O3 power and optoelectronic device technologies.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 관련 이론 3
• 2.1. β-Ga2O3의 물성 3
• 2.2. β-Ga2O3 기반 전계 효과 트랜지스터(FET)의 구조 및 동작 원리 5
• 2.2.1. MOSFET과 TFT 구조의 비교 5
• 2.2.1. β-Ga2O3 FET의 동작 특성 6
• 2.3. β-Ga2O3 FET의 전기적 특성 7
• 2.4. 태양광 차단형 자외선과 UVC 광검출기 10
• 2.4.1. 태양광 차단형 자외선(solar-blind Ultra-Violet) 10
• 2.4.2. UVC 광검출기의 동작 원리 11
• 2.4.3. 광검출기 성능 평가를 위한 주요 파라미터 12
• 3. 실험 과정 14
• 3.1. 사용물질 14
• 3.1.1. 베타상 산화갈륨 (β-Ga2O3) 14
• 3.1.2. 실리콘/실리콘 산화막 기판(Si/SiO2 substrate) 14
• 3.1.3. 증착 물질 15
• 3.1.4. 용액 15
• 3.2. 소자 제작 15
• 3.2.1. 기판 준비 16
• 3.2.2. β-Ga2O3 전사 및 열처리 17
• 3.2.3. 전극 형성 19
• 3.3. 소자 측정 20
• 4. 실험 결과 및 고찰 23
• 4.1. 기존 공정 기반 β-Ga2O3 TFT의 전기적 특성 및 문제점 23
• 4.2. 열처리를 통한 β-Ga2O3 TFT의 트랩 개선 27
• 4.2.1 Hot plate를 이용한 저온 열처리 공정 27
• 4.2.2 RTP를 이용한 고온 열처리 공정 29
• 4.3. 열처리에 따른 표면계면 구조 및 화학적 변화 분석 32
• 4.3.1 표면 구조 및 거칠기 분석 (AFM) 32
• 4.3.2 화학적 결합 상태 및 산소 결손 분석 (XPS) 33
• 4.3.3 계면 구조 및 원소 확산 분석 (TEM/EDS) 35
• 4.4. UVC Photodetector 37
• 5. 결론 42
• 참고문헌 43
• Abstract 45