Material and device structure properties of AlxGa1-xN and β-Ga2O3 semiconductors for power device

Abstract

Recently, as the need of energy saving is emphasized worldwide, research and development for high efficiency of semiconductor manufacturing technology used in power conversion switching is required. In particular, demand for power semiconductor modules is increasing in various fields such as electric vehicles, solar cells, and railway. In order to manufacture a semiconductor device with high power and high efficiency characteristics, semiconductor materials with high breakdown voltage and high mobility characteristics are required. Wide bandgap semiconductor materials are in the limelight as materials that can overcome the physical property limitations of Si, such as wide bandgap, high thermal conductivity, and high mobility. In this study, the epilayer properties of wide bandgap semiconductors such as AlxGa1-xN, and β-Ga2O3 and defects using deep-level transient spectroscopy were investigated, and the correlation between each epilayer's properties and electrical properties and defect state was analyzed. The first chapter introduces the concepts and application power semiconductor devices, and the material properties of wide bandgap semiconductors, specifically GaN and β-Ga2O3. The second chapter describes the growth and fabrication methods of wide bandgap materials AlxGa1-xN and β-Ga2O3, along with the analysis techniques utilized. Chapters 3 to 5 present the practical research results. Chapter 3 focuses on the analysis of the crystal quality and defect states of GaN epilayers grown on GaN and sapphire by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). X-ray diffraction (XRD) is utilized to assess the crystallinity of the GaN epilayers. Defect states are investigated using optical conductance deep level transient spectroscopy (O-GDLTS), revealing the presence of four types of hole-like traps in both samples. The defect concentrations are measured through the space-charge limited current (SCLC) method, indicating significantly lower defect densities in GaN-on-GaN (1.18x1015 cm-3) compared to GaN-on-sapphire (1.52x1017 cm-3). Chapter 4 examines the influence of oxygen on the crystal quality and electrical defect states of AlxGa1-xN (x = 0.4, 0.6, 0.8) epilayers grown using hydride vapor phase epitaxy (HVPE). XRD measurements demonstrate the superior crystalline quality in AlxGa1-xN samples grown with oxygen compared to those without oxygen. DLTS and thermally stimulated current (TSC) methods are employed to analyze the defect states, revealing lower defect densities in samples grown with oxygen. Furthermore, the effect of oxygen becomes more greater with increasing Al mole fraction. Chapter 5 investigates the impact of defect states on the electrical characteristics of β-Ga2O3 Schottky barrier diodes grown by HVPE. The growth rates of each epilayer were 0.15 μm/min and 0.25 μm/min, and the breakdown voltages of β-Ga2O3 at the low and high growth rates were -401 V and -132 V, respectively. DLTS analysis identifies two traps (H1 and E3) in samples grown at a low growth rate, while three traps (E1, E2, and E4) are observed in samples grown at a high growth rate. Ultimately, the study demonstrates that devices exhibit superior electrical characteristics when the defect density is low. In conclusion, this research provides valuable insights into the influence of epilayer defects on the characteristics of semiconductor devices. These results are expected to contribute to the future development and application of high-power and high-efficiency power semiconductor materials and devices. |최근 전세계적으로 에너지 절약 및 저탄소화에 기여하는 기술 개발의 필요성이 강조되는 가운데 전력변환 스위칭에 사용되는 반도체 제작 기술의 고효율화를 위한 연구개발이 요구되고 있다. 특히 전기 자동차, 태양전지, 철도 등 여러 분야에서 전력반도체 모듈에 대한 실용화가 요구되고 있다. 고전력 및 고효율 특성을 가지는 반도체 소자 제조하기 위해서는 높은 항복전압과 동시에 높은 mobility 특성을 가지는 반도체 소재가 필요하다. wide bandgap 반도체 소재의 경우, 넓은 bandgap, 높은 열전도성, 높은 mobility 특성 등, Si이 가지는 물리적 특성 한계를 넘을 수 있는 소재로 각광받고 있다. 본 연구에서는 wide bandgap 반도체 인 GaN, AlxGa¬1-xN 및 β-Ga2O3의 epilayer의 특성과 deep level transient spectroscopy 방법으로 결함을 조사하여, 각 epilayer의 특성 및 소자의 전기적 특성과 결함의 상관관계를 분석하였다. 제1장에서는 전력반도체 소자의 개념과 용도 그리고 wide bandgap 반도체 물질인 GaN 및 β-Ga2O3 소재 특성을 소개한다. 제2장에서는 wide bandgap 반도체 재료인 AlxGa¬1-xN 및 β-Ga2O3의 성장 및 소자 제작방법과 사용된 분석기법을 설명한다. 3장부터 5장까지는 실질적인 연구 결과를 보여준다. 제3장에서는 sapphire기판과 GaN기판 위에 MOCVD로 성장된 GaN epilayer의 결정성 및 결함상태 분석에 중점을 둔다. GaN epilayer의 결정성은 XRD를 이용해 분석하였다. 결함 상태는 O-GDLTS 방법으로 분석하였으며 두 시료 모두 4 종류의 Hole like trap을 관찰하였다. 결함 농도는 SCLC 방법으로 측정하였으며, 이는 GaN-on-GaN (1.18x1015 cm-3)이 GaN-on-sapphire (1.52x1017 cm-3)에 비해 상당이 낮은 결함밀도를 나타낸다. 제4장에서는 HVPE에 의해 성장된 AlxGa1-xN(x=0.4, 0.6, 0.8) epilayer의 결정 품질 및 전기적 결함 상태에 대한 산소의 영향을 조사하였다. XRD 측정결과 산소와 같이 성장된 AlxGa1-xN시료가 산소가 없이 성장된 AlxGa1-xN의 결정 품질보다 우수하였다. AlxGa1-xN시료의 결함 상태를 분석하기 위해DLTS 및 TSC 방법을 이용하여 결함을 분석하였다. AlxGa1-xN epilayer의 결함 밀도는 산소와 함께 성장한 시료가 더 낮았으며, Al 몰분율이 증가함에 따라 산소의 효과가 더 크게 나타났다. 제5장에서는 HVPE로 성장한 β-Ga2O3로 제작한 Schottky barrier diode의 결함상태가 전기적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 각 epilayer의 성장률은 0.15 μm/min 및 0.25 μm/min 였으며, 낮은 성장률과 높은 성장률을 가진 β-Ga2O3의 항복 전압은 각각 -401 V 및 -132 V였다. DLTS 분석 결과 낮은 속도로 성장한 시료의 경우 H1 및 E3 두개의 트랩이 관찰되었으나, 높은 속도로 성장한 시료의 경우 E1, E2, E4 세개의 트랩이 관찰되었으며, 결함의 농도가 낮은 경우 소자의 전기적 특성이 더 우수함을 알 수 있었다. 결론적으로 이 연구는 epilayer의 결함이 device의 특성에 미치는 영향에 대한 귀중한 통찰력을 제공한다. 이러한 결과는 향후 고출력 및 고효율 전력반도체 소재 및 소자 개발 및 응용에 기여할 것으로 기대된다.