라만 산란법을 이용한 β-Ga₂O₃ 단결정의 면방위별 결정학적 특성 연구
Crystallographic orientation-dependent properties of β-Ga₂O₃ single crystals investigated by raman scattering
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초록
β-Ga₂O₃는 약 4.9 eV의 초와이드 밴드갭, 높은 항복 전계, 우수한 안정성을 지닌 차세대 전력·광전자 소자 후보소재이다. EFG(Edge-defined Film-Fed Growth) 및 VB(Vertical Bridgman) 법을 통한 대구경 기판 성장기술은 빠르게 발전하고 있으나, 단사정계 구조로 인한 강한 이방성의 활용은 여전히 중요한 과제로 남아있다. β-Ga₂O₃는 결정 축방향(out-of-plane) 및 결정 면방향(in-plane) 배향에 따라 전기적·광학적 특성이 크게 달라지며, 특히 (100) 면은 소자 제작에서 널리 활용되어 온 동시에 낮은 표면에너지와 쌍정 결함 문제로 주목받아 왔다. 본 연구에서는 EFG 법으로 성장한 UID(Unintentional doping) β-Ga₂O₃ 단결정에서 (100) 시편을 제작하여 HR-XRD(High-Resolution X-ray Diffractometer)와 라만 산란법으로 면방위를 확인하였다. 특히 (100) 면에 대해 각도 분해 라만 측정을 수행한 결과, Ag 모드와 Bg 모드들이 2-fold, 4-fold 및 완전 대칭성을 보이는 것이 확인되었고, 입사되는 광의 전기장 방향과 β-Ga₂O₃ 면방위와의 상호작용에 민감하게 반응함을 확인하였다. 본 연구는 라만 산란법이 β-Ga₂O₃ 단결정의 결정학적 배향과 이방성을 비파괴적으로 규명할 수 있는 효과적 도구임을 보여주며, 향후 소자 설계와 가공 공정 최적화, 결정 내 응력 및 결함 분석에 활용될 수 있는 기초 자료를 제공한다.
Abstract
β-Ga₂O₃, with an ultrawide bandgap of ~4.9 eV, a high critical electric field, and excellent stability, has emerged as a promising candidate material for next-generation power and optoelectronic devices. Wafer technology has rapidly advanced through large-diameter bulk growth using the EFG (Edge-defined Film-Fed Growth) and VB (Vertical Bridgman) methods; however, exploiting the strong anisotropy inherent to its monoclinic crystal structure remains a critical challenge. The electrical and optical properties vary significantly with crystallographic orientation, both out-of-plane and in-plane of β-Ga₂O₃. In particular, the (100) surface has been widely employed for device fabrication but has attracted attention due to its low surface energy and tendency to form twin boundaries. In this study, unintentionally doped (UID) β-Ga₂O₃ single crystals grown by the EFG method were processed into a (100) oriented sample, and its orientation was identified using high-resolution X-ray diffraction (HR-XRD) and Raman spectroscopy. Raman analysis revealed that phonon mode intensities varied markedly among the orientations depending on lattice symmetry. Angle-resolved Raman measurements on the (100) surface further showed that Ag and Bg modes exhibited 2-fold, 4-fold, or complete symmetry, indicating a strong dependence on the interaction between the incident light polarization and the crystallographic orientation of β-Ga₂O₃. These results demonstrate that Raman spectroscopy is an effective, non-destructive technique for probing crystallographic orientation and anisotropy in β-Ga₂O₃ single crystals, providing fundamental insights for device design, optimization of wafer fabrication process, and the evaluation of stress and defects in β-Ga₂O₃ based technologies