• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
• /
• v.36 no.4
• /
• pp.413-417
• /
• 2023

Gallium Oxide (Ga₂O₃) is preferred as a material for next generation power semiconductors. The Ga₂O₃ should solve the disadvantages of low thermal resistance characteristics and difficulty in forming an inversion layer through p-type ion implantation. However, Ga₂O₃ is difficult to inject p-type ions, so it is being studied in a heterojunction structure using p-type oxides, such as NiO, SnO, and Cu₂O. Research the lateral-type FET structure of NiO/Ga₂O₃ heterojunction under the Gate contact using the Sentaurus TCAD simulation. At this time, the VG-ID and VD-ID curves were identified by the thickness of the Epi-region (channel) and the doping concentration of NiO of 1×10¹⁷ to 1×10¹⁹ cm-3. The increase in Epi region thickness has a lower threshold voltage from -4.4 V to -9.3 V at I_D = 1×10^-8 mA/mm, as current does not flow only when the depletion of the PN junction extends to the Epi/Sub interface. As an increase of NiO doping concentration, increases the depletion area in Ga₂O₃ region and a high electric field distribution on PN junction, and thus the breakdown voltage increases from 512 V to 636 V at I_D =1×10^-3 A/mm.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2016.02a
• /
• pp.311-311
• /
• 2016

최근 고성능 디스플레이 개발이 요구되면서 기존 비정질 실리콘(a-Si)을 대체할 산화물 반도체에 대한 연구 관심이 급증하고 있다. 여러 종류의 산화물 반도체 중 a-IGZO (amorphous indium-gallium-zinc oxide)가 높은 전계효과 이동도, 저온 공정, 넓은 밴드갭으로 인한 투명성 등의 장점을 가지며 가장 연구가 활발하게 보고되고 있다. 기존에는 SG(단일 게이트) TFT가 주로 제작 되었지만 본 연구에서는 DG(이중 게이트) 구조를 적용하여 고성능의 a-IGZO 기반 박막 트랜지스터(TFT)를 구현하였다. SG mode에서는 하나의 게이트가 채널 전체 영역을 제어하지만, double gate mode에서는 상, 하부 두 개의 게이트가 동시에 채널 영역을 제어하기 때문에 채널층의 형성이 빠르게 이루어지고, 이는 TFT 스위칭 속도를 향상시킨다. 또한, 상호 모듈레이션 효과로 인해 S.S(subthreshold swing)값이 낮아질 뿐만 아니라, 상(TG), 하부 게이트(BG) 절연막의 계면 산란 현상이 줄어들기 때문에 이동도가 향상되고 누설전류 감소 및 안정성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. Dual gate mode로 동작을 시키면, TG(BG)에는 일정한 positive(or negative)전압을 인가하면서 BG(TG)에 전압을 가해주게 된다. 이 때, 소자의 채널층은 depletion(or enhancement) mode로 동작하여 다른 전기적인 특성에는 영향을 미치지 않으면서 문턱 전압을 쉽게 조절 할 수 있는 장점도 있다. 제작된 소자는 p-type bulk silicon 위에 thermal SiO2 산화막이 100 nm 형성된 기판을 사용하였다. 표준 RCA 클리닝을 진행한 후 BG 형성을 위해 150 nm 두께의 ITO를 증착하고, BG 절연막으로 두께의 SiO2를 300 nm 증착하였다. 이 후, 채널층 형성을 위하여 50 nm 두께의 a-IGZO를 증착하였고, 소스/드레인(S/D) 전극은 BG와 동일한 조건으로 ITO 100 nm를 증착하였다. TG 절연막은 BG 절연막과 동일한 조건에서 SiO2를 50 nm 증착하였다. TG는 S/D 증착 조건과 동일한 조건에서, 150 nm 두께로 증착 하였다. 전극 물질과, 절연막 물질은 모두 RF magnetron sputter를 이용하여 증착되었고, 또한 모든 patterning 과정은 표준 photolithography, wet etching, lift-off 공정을 통하여 이루어졌다. 후속 열처리 공정으로 퍼니스에서 질소 가스 분위기, $300^{\circ}C$ 온도에서 30 분 동안 진행하였다. 결과적으로 $9.06cm2/V{\cdot}s$, 255.7 mV/dec, $1.8{\times}106$의 전계효과 이동도, S.S, on-off ratio값을 갖는 SG와 비교하여 double gate mode에서는 $51.3cm2/V{\cdot}s$, 110.7 mV/dec, $3.2{\times}108$의 값을 나타내며 훌륭한 전기적 특성을 보였고, dual gate mode에서는 약 5.22의 coupling ratio를 나타내었다. 따라서 산화물 반도체 a-IGZO TFT의 이중게이트 구조는 우수한 전기적 특성을 나타내며 차세대 디스플레이 시장에서 훌륭한 역할을 할 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2015.08a
• /
• pp.214.1-214.1
• /
• 2015

Thin-film transistors (TFTs)의 채널층으로 널리 쓰이는 indium-gallium-zinc oxide (IGZO)는 높은 전자 이동도(약 10 cm2/Vs)를 나타내며 유기 발광 다이오드디스플레이(OLED)와 대면적 액정 디스플레이(LCD)에 필수적으로 사용되고 있다. 하지만, 이러한 재료는 우수한 TFT의 채널층의 특성을 가지는 반면, ZnO 기반 재료이기 때문에 소자 구동에서의 안정성은 가장 큰 문제로 남아있다. 따라서 최근, IGZO layer의 특성을 향상시키기 위한 연구가 다양한 방법으로 시도되고 있다. IGZO의 조성비를 조절하여 전기적 특성을 최적화거나 IGZO layer의 조성 중 Ga을 다른 금속 메탈로 대체하는 연구도 이루어지고 있다. 그러나 IGZO에 미량의 도펀트를 첨가하여 박막 특성 변화를 관찰한 연구는 거의 진행되지 않고 있다. 산화물 TFTs의 전기적 특성과 안정성은 산소 함량에 영향을 많이 받는 것으로 알려져 있으며, 더욱이 TFT 채널층으로 쓰이는 IGZO 박막의 고유한 산소 공공은 디바이스 작동 중 열적으로 활성화 되어 이온화 상태가 될 때 소자의 안정성을 저하시키는 것이 문제점으로 지적되고 있다. 그러므로 본 연구에서는 낮은 전기 음성도(1.22)와 표준전극전위(-2.372 V)를 가지며 산소와의 높은 본드 엔탈피 값(719.6 kJ/mol)을 가짐으로써 산소 공공생성을 억제할 것으로 기대되는 yttrium을 IGZO의 도펀트로 도입하였다. 따라서 본 연구에서는 Y-IGZO의 박막 특성 변화를 관찰하고자 한다. 본 연구에서는 magnetron co-sputtering법으로 IGZO 타깃(DC)과 Y2O3 타깃(RF)를 이용하여 기판 가열 없이 동시 방전을 이용해 non-alkali glass 기판 위에 증착 하였다. IGZO 타깃은 DC power 110 W으로 고정하였으며 Y2O3 타깃에는 RF Power를 50 W에서 110 W까지 증가시키면서 Y 도핑량을 조절하였다. Working pressure는 고 순도 Ar을 20 sccm 주입하여 0.7 Pa로 고정하였다. 모든 실험은 $50{\times}50mm$ 기판 위에 총 두께 $50nm{\pm}2$ 박막을 증착 하였으며, 그 함량에 따른 전기적 특성 및 광학적 특성을 살펴보았다. 또한, IGZO 박막 제조 시 박막의 안정화를 위해 열처리과정은 필수적이다. 하지만 본 연구에서는 열처리를 진행하지 않고 Y-IGZO의 안정성 개선 여부를 보기 위하여 20일 동안 상온에서 방치하여 그 전기적 특성변화를 관찰하였다. 나아가 Y-IGZO 채널 층을 갖는 TFT 소자를 제조하여 소자 구동 특성을 관찰 하였다. Y2O3 타깃에 가해지는 RF Power가 70 W 일 때 Y-IGZO박막은 IGZO박막과 비교하여 상대적으로 캐리어 밀도는 낮은 반면 이동도는 높은 최적 특성을 얻을 수 있었다. 상온방치 결과 Y-IGZO박막은 IGZO박막에 비해 전기적 특성 변화 폭이 적었으며 이것은 Y 도펀트에 의한 안정성 개선의 결과로 예상된다. 투과도는 Y 도핑에 의하여 약 1.6 % 정도 상승하였으며 밴드 갭 내에서 결함 준위로 작용하는 산소공공의 억제로 인한 결과로 판단된다.

• Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers
• /
• v.24 no.4
• /
• pp.110-115
• /
• 2010

Transparent conducting gallium-doped zinc oxide (GZO) thin films which were deposited on Corning glass substrate using an Gun-type rf magnetron sputtering deposition technology. The GZO thin films were fabricated with an GZO ceramic target (Zn : 97[wt%], $Ga_2O_3$ : 3[wt%]). The GZO thin films were deposited by varying the growth conditions such as the substrate temperature, oxygen pressure. Among the GZO thin films fabricated in this study, the one formed at conditions of the substrate temperature of 200[$^{\circ}C$], Ar flow rate of 50[sccm], $O_2$ flow rate of 5[sccm], rf power of 80[W] and working pressure of 5[mtorr] showed the best properties of an electrical resistivity of $2.536{\times}10^{-4}[{\Omega}{\cdot}cm]$, a carrier concentration of $7.746{\times}10^{20}[cm^{-3}]$, and a carrier mobility of 31.77[$cm^2/V{\cdot}S$], which indicates that it could be used as a transparent electrode for thin film transistor and flat panel display applications.

• Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
• /
• v.28 no.3
• /
• pp.135-139
• /
• 2018

In this study, we report the effect of VI/III ratio on ${\alpha}-Ga_2O_3$ epilayer on sapphire substrate by halide vapor phase epitaxy. The surface of ${\alpha}-Ga_2O_3$ epilayer grown with various VI/III ratios was flat and crack-free. To analyze the optical properties of the ${\alpha}-Ga_2O_3$ epilayers, the transmittance and an optical band gap were measured. The optical band gap was shown to be around 5 eV and showed a proportional increase in VI/III ratios. To determine the crystal quality of alpha gallium oxide grown with a ratio of 23, closed to the theoretical optical band gap, the FWHM was measured by HR-XRD. The calculated dislocation density of screw and edge were $1.5{\times}10^7cm^{-2}$ and $5.4{\times}10^9cm^{-2}$, respectively.

• Journal of IKEEE
• /
• v.25 no.3
• /
• pp.501-505
• /
• 2021

In this study, we fabricated amorphous indium-tin-gallium-zinc-oxide thin-film transistors (a-ITGZO TFTs) with gate dielectrics of HfO₂ and the mixed layers of HfO₂ and Al₂O₃, and investigated the effect of gate dielectric on electrical characteristics of a-ITGZO TFTs. When only HfO₂ was used as the gate dielectric, the mobility and subthreshold swing (SS) were 32.3 cm²/Vs and 206 mV/dec. For the a-ITGZO TFTs with gate dielectric made of HfO₂ and Al₂O (2:1, 1:1), the mobilities and SS were 26.4 cm²/Vs (2:1), 16.8 cm²/Vs(1:1), 160 mV/dec (2:1) and 173 mV/dec (1:1). On the other hand, the hysteresis window shown in transfer curves of the a-ITGZO TFTs was lessened from 0.60 to 0.09 V by the increase of Al₂O₃ ratio in gate dielectric, indicating that the interface trap density between the gate dielectric and channel layer decreases due to Al₂O₃.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
• /
• v.36 no.5
• /
• pp.500-504
• /
• 2023

In this study, the heteroepitaxial thin film growth of β-Ga₂O₃ was studied according to the position of the susceptor in mist-CVD. The position of the susceptor and substrate was moved step by step from the center of the hot zone to the inlet of mist in the range of 0~50 mm. It was confirmed that the average thickness increased to 292 nm (D1), 521 nm (D2), and 580 nm (D3) as the position of the susceptor moved away from the center of the hot zone region. The thickness of the lower region of the substrate is increased compared to the upper region. The surface roughness of the lower region of the substrate also increased because the nucleation density increased due to the increase in the lifetime of the mist droplets and the increased mist density. Therefore, thin film growth of β-Ga₂O₃ in mist-CVD is performed by appropriately adjusting the position of the susceptor (or substrate) in consideration of the mist velocity, evaporation amount, and temperature difference with the substrate, thereby determining the crystallinity of the thin film, the thickness distribution, and the thickness of the thin film. Therefore, these results can provide insights for optimizing the mist-CVD process and producing high-quality β-Ga₂O₃ thin films for various optical and electronic applications.

• Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
• /
• v.34 no.1
• /
• pp.1-7
• /
• 2024

β-Ga₂O₃ is a material with a wide band gap of ~4.8 eV and a high breakdown-voltage of 8 MV/cm, and is attracting much attention in the field of power device applications. In addition, compared to representative WBG semiconductor materials such as SiC, GaN and Diamond, it has the advantage of enabling single crystal growth with high growth rate and low manufacturing cost [1-4]. In this study, we succeeded in growing a 10 mm thick β-Ga₂O₃ single crystal doped with 0.3 mol% SnO₂ through the EFG (Edge-defined Film-fed Growth) method using multi-slit structure. The growth direction and growth plane were set to [010]/(010), respectively, and the growth speed was about 12 mm/h. The grown β-Ga₂O₃ single crystal was cut into various crystal planes (010, 001, 100, ${\bar{2}}01$) and surface processed. The processed samples were compared for characteristics according to crystal plane through analysis such as XRD, UV/VIS/NIR/Spec., Mercury Probe, AFM and Etching. This research is expected to contribute to the development of power semiconductor technology in high-voltage and high-temperature applications, and selecting a substrate with better characteristics will play an important role in improving device performance and reliability.

• Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
• /
• v.33 no.2
• /
• pp.83-90
• /
• 2023

The β-Ga₂O₃ has the most thermodynamically stable phase, a wide band gap of 4.8~4.9 eV and a high dielectric breakdown voltage of 8MV/cm. Due to such excellent electrical characteristics, this material as a power device material has been attracted much attention. Furthermore, the β-Ga₂O₃ has easy liquid phase growth method unlike materials such as SiC and GaN. However, since the grown pure β-Ga₂O₃ single crystal requires the intentionally controlled doping due to a low conductivity to be applied to a power device, the research on doping in β-Ga₂O₃ single crystal is definitely important. In this study, various source powders of un-doped, Sn 0.05 mol%, Sn 0.1 mol%, Sn 1.5 mol%, Sn 2 mol%, Sn 3 mol%-doped Ga₂O₃ were prepared by adding different mole ratios of SnO₂ powder to Ga₂O₃ powder, and β-Ga₂O₃ single crystals were grown by using an edge-defined Film-fed Growth (EFG) method. The crystal direction, crystal quality, optical, and electrical properties of the grown β-Ga₂O₃ single crystal were analyzed according to the Sn dopant content, and the property variation of β-Ga₂O₃ single crystal according to the Sn doping were extensively investigated.

• Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
• /
• v.34 no.4
• /
• pp.109-116
• /
• 2024

β-Ga₂O₃ is a representative ultra-wide bandgap (UWBG) semiconductor that has attracted much attention for power device applications due to its wide-bandgap of 4.9 eV and high-breakdown voltage of 8 MV/cm. In addition, because solution growth is possible, it has advantages such as fast growth rate and lower production cost compared to SiC and GaN [1-2]. In this study, we have successfully grown Si-doped 10 mm thick Si-doped β-Ga₂O₃ single crystals by the EFG (Edge-defined Film-fed Growth) method. The growth direction and growth principal plane were set to [010] / (010), respectively, and the growth speed was 7~20 mm/h. The as-grown β-Ga₂O₃ single crystal was cut into various crystal planes (001, 100, ${\bar{2}}01$) and off-angles (1^o, 3^o, 4^o), and then surface processed. After processed, the homoepitaxial layer was grown on the epi-ready substrate using the HVPE (Halide vapor phase epitaxy) method. The processed samples and the epi-layer grown samples were analyzed by XRD, AFM, OM, and Etching to compare the surface properties according to the crystal plane and off-angle.