주요 n형 전도성 도펀트 원소의 도핑에 따른 (001)면 β-Ga₂O₃ 단결정의 구조적 및 광학적 특성 분석
Characterization of structural and optical properties on (001) β-Ga₂O₃ doped with key impurities for n type conductivity
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초록
β-Ga₂O₃는 초광대역 밴드갭(4.9 eV)과 높은 항복 전압(8 MV/cm)의 물성을 가지므로 전력 소자 응용 분야에서 많은 주목을 받고 있는 반도체 소재이다. 본 연구에서는 (001)면의 UID(Unintentional doping) β-Ga₂O₃ 단결정과 n형 전도성 도펀트 원소인 Si(Silicon), Sn(Tin), Fe(Iron)를 첨가한 β-Ga₂O₃ 단결정을 EFG(Edge-defined Film-fed Growth) 법으로 성장시키는데 성공하였다. 도펀트 원소를 첨가한 β-Ga₂O₃ 단결정시편에 대해 결정의 구조적/광학적 분석을 실시하였다. 도펀트 원소를 첨가한 β-Ga₂O₃ 결정의 표면결합구조를 X PS 법을 통해 분석한 결과, Ga와 O 유래의 특성피크가 공통적으로 관찰되었으며, 도펀트 도입에 따른 결합에너지가 감소되는 경향을 보였다. 특히, Sn 도펀트를 첨가한 결정에서 강한 S n 유래의 특성피크가 관찰되었으나, Fe와 S i를 첨가한 결정의 경우 미약한 특성피크가 관찰되는 것으로 보아 극소량만이 도입된 것으로 보인다. XRD와 Raman 분광 분석결과, (001) 면의 β-Ga₂O₃ 단결정임이 확인되었다. 각 도펀트의 도핑에 따른 결정성은 두 측정법에 따라 다소 차이는 발생하였지만, 대체적으로 우수한 품질의 결정이 얻어졌으며, 도펀트에 첨가에 따른 결정품질의 변화는 크게 관측되지 않았다. 한편, 도펀트 원소를 첨가한 β-Ga₂O₃단결정시편에 대해 UVF(UV Fluorescence) 측정과 PL(Photoluminescence) 측정을 실시하였다. UVF 측정을 통한 시편의 발광색상 관찰에서는 UID를 포함한 Si-, Sn-doped β-Ga₂O₃ 시편에서 Blue 색 밝기(B 값: min. 31~ max. 143)가 상대적으로 강한 발광이 공통적으로 나타났으며, Fe-doped β-Ga₂O₃ 시편에서는 핑크계열의 발광이 관측되었는데, 이는 가장 낮은 밝기값을 가지는 Green 값(6) 대비 동일한 Red 값(32)과 Blue 값(31)으로 인한 빛의 가산혼합의 결과임을 확인하였다. PL 측정에서는 UID를 포함한 Si-, Sn-doped β-Ga₂O₃ 시편에서 Ga와 O의 공공이 생성하는 준위인 Donor-acceptor pair(DAP) 재결합에 의한 청색(2.8~3.0 eV)과 녹색(~2.4 eV) 영역대의 발광이 관찰되었으며, 청색보다는 녹색영역대의 발광이 지배적으로 나타났다. 이는 공공이 생성하는 고유한 불순물 준위 간의 발광특성이 도펀트 원소에 크게 영향을 받지 않음을 나타낸다. 반면, Fe-doped β-Ga₂O₃ 시편에서는 녹색영역대의 발광이 현저하게 감소하며 적색과 IR 영역의 발광이 상대적으로 높아진 것을 알 수 있는데, 이는 UVF 측정에서 핑크빛 발광을 보이는 결과와 일치함을 알 수 있다. Fe 도펀트의 경우, trap state 생성으로 인한 비방사형 재결합의 증가로 인해 청색 및 녹색영역의 발광이 감소하였다. 본 연구에서는 n형 전도성을 위한 도펀트 원소를 첨가한 β-Ga₂O₃ 결정의 구조적/광학적 특성을 체계적으로 분석하였으며, 이를 통해 β-Ga₂O₃ 결정 분석을 위한 일련의 비파괴적 분석기법들이 정립되기를 고대한다.
Abstract
β-Ga₂O₃ is a semiconductor material that has attracted much attention in power device applications due to its physical properties of an ultra-wide bandgap (4.9 eV) and high breakdown voltage (8 MV/cm). In this study, wesuccessfully prepared (001) β-Ga₂O₃ crystals doped with key impurities (including unintentional doping (UID)) such as Sn, Si, and Fe for n-type conductivity by using the EFG (Edge-defined Film-fed Growth) method. We conducted structural and optical characterization of β-Ga₂O₃ crystals doped with key impurities. XPS analysis indicated that characteristic peaks originating from Ga and O were commonly observed in all β-Ga₂O₃ crystals. The binding energy gradually decreased with the incorporation of dopants into the lattice. The Sn dopant was effectively employed and activated in the lattice of β-Ga₂O₃ crystals; however, Fe and Si dopants were barely incorporated into the lattice. XRD and Raman scattering analysis showed that the obtained β-Ga₂O₃ crystals had high crystal quality, and the crystal quality did not depend on different kinds of dopants. In UVF (UV fluorescence) measurements and RGB color analysis, UID, Si-, and Sn-doped Ga₂O₃ crystals showed intense blue luminescence; however, the Fe-doped Ga₂O₃ crystal showed pink luminescence. This trend was also observed from PL spectral analysis. UID, Si-, and Sn-doped Ga₂O₃ crystals show dominant blue (2.8~3.0 eV) and green luminescence (~2.4 eV, more dominant) originating from impurity levels of the donor-acceptor pair between O (donor) and Ga (acceptor) vacancies. This indicates that the luminescence between intrinsic impurity levels generated by the voids was not significantly affected by the dopant. However, Fe-doped in Ga₂O₃ crystals shows relatively intense red and IR region luminescence (consistent with the pink luminescence from UVF) with quenching of the green and blue luminescence. The PL quenching in the blue and green regions originated from the increase in non-radiative recombination due to the generation of trap states by the Fe dopant. In this study, we systematically analyzed the structural and optical properties of β-Ga₂O₃ crystals doped for n-type conductivity, and we look forward to the establishment of a series of nondestructive analytical echniques for the analysis of β-Ga₂O₃ crystals.