화합물반도체 MOSFET응용을 위한 희토류 산화막 게이트 형성

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 GaAs 화합물 반도체에 MOS 게이트 형성을 위하여 Gd2O3, Gd-silicate 등의 다양한 산화막을 n-GaAs (001)위에 형성하였다. GaAs 표면은 대기 노출 및 이종원소 형성 시 화학적으로 매우 불안정한 표면 상태를 나타내기 때문에 표면 보호막 형성을 위한 유황처리는 필수적이다. 산화막은 GaAs 기판과의 화학적 안정성, 전기적 절연성, 유전상수, 밴드갭 및 에너지 밴드구조를 고려하여 선택되었다. 희토류 산화막을 기본으로 하여 x-선 광전자 분광, x-선 회절 분석, 그리고 방사광 가속기를 활용한 구조적/결합적 특성 및 에너지 밴드구조 특성과 MOS 다이오드의 전기적 특성을 연계하여 해석하여 GaAs MOSFET으로의 응용가능성을 타진하였다. 현재까지 본 연구를 통하여 제시되고 있는 주요 결과들을 정리하면 다음과 같다. 유황처리 된 GaAs (001) 표면에서는 페르미 에너지를 전도대로 이동시켜 Gd2O3 산화막과의 에너지 밴드구조 고려 시 전자이동 장벽을 증가시키는 것으로 확인되었다. 표면보호막 형성 후에는 400oC의 진공열처리 온도에서도 Gd2O3와 GaAs의 계면 반응이 나타나지 않았으며, GaAs 계면 또한 초기에 형성된 Ga-S 결합이 계면 산화와 반응을 억제한 것으로 확인되었다. Gd2O3에 SiO2가 첨가하여 Gd-silicate 비정질 산화막을 형성하여 입자나 입계에 의한 결함의 트랩이나 전류흐름의 통로제공 등의 효과를 억제하였다. 희토류 산화물과 SiO2의 증기압차이를 고려하여 전자빔 증착용 타깃을 조성별로 제작하여 Gd-silicate 박막을 형성하였다. 유황처리를 통한 표면보호막의 형성으로 산화막 증착 과정 중의 GaAs 기판의 계면 산화를 방지할 수 있었다. SiO2의 높은 밴드갭에 의하여 Gd-silicate 산화막에서는 일반 희토류 산화막보다 높은 밴드갭이 측정되었다. (Gd2O3)1-x(SiO2)x 박막에서는 x=0.82에서 약 7.3 eV의 밴드갭이 계산되었다. Gd-silicate에서 SiO2의 첨가량에 따른 밴드갭의 변화로부터 에너지 밴드를 형성하는 ΔEC, ΔEV 및 Eg와 주요 파라미터의 조절이 조성에 따라 가능함을 확인하였다. Gd-silicate 박막의 전기적 특성은 주로 조절된 ΔEC에 따라 산화막과 n-GaAs 기판과의 계면에 존재하는 터널링 장벽 높이에 크게 의존하는 것으로 관찰되었다. Log(J/E2)-1/E의 관계로부터 Fowler-Nordheim 터널링 메커니즘을 통하여 전기적 특성이 설명되었다. 에너지 밴드구조의 조절이 자유로운 Gd-silicate 산화막은 비교적 큰 ΔEC로 GaAs MOS 소자를 위한 새로운 후보물질이라 하겠다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this work, the formation of MOS structure for gate oxide on GaAs has been investigated as an alternative of Schottky gate or Si CMOS. The gate oxide films were e-beam evaporated considering interfacial chemical bonding state and energy band structure. Since the GaAs shows a very unstable surface characteristics, the passivation with sulfur mono-layer is indispensible for deposition process.
Rare-earth oxides such as Gd2O3 and Gd-silicate were employed to be formed on n-GaAs (001) because of high resistivity and no chemical reaction with the substrate. Structural and bonding properties were characterized mainly using XPS and synchrotron radiation. The electrical properties of MOS diodes were correlated with material properties and energy band structures to guarantee the feasibility for MOSFET application. After S-passivation, the interfacial reaction between Gd2O3 and GaAs was not observed at the substrate temperature of 400oC. It was confirmed that the Ga-S bond prohibited the interfacial oxidation and reaction.
Next, the Gd-silicate was synthesized by incorporation of SiO2 into Gd2O3. These amorphous silicate films excludes the effect of defect trap or current flow path by grain or grain boundaries. The films were e-beam evaporated from the mixed targets of silicate. It was fabricated considering the vapor pressure of competing elements. The GaAs surface was sulfur-passivated to prohibit the interfacial oxidation during oxide deposition. Amorphous Gd-silicate film shows a relatively larger energy band gap, which is dependent on the contents of SiO2. The energy band parameters such as ΔEC, ΔEV, and Eg were effectively controlled by adjusting the film composition. The electrical properties of Gd-silicate films indicated Fowler-Nordheim tunneling mechanism, limited by the electron tunneling barrier height (ΔEC) at the interface between the oxide films and n-GaAs. The larger ΔEC resulted in the reduction of leakage current. Gd-silicate films would be one of possible candidates for GaAs MOSFET due to tunable energy band structure and large ΔEC.