1. 3세대 반도체
1세대 반도체 기술은 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)과 같은 반도체 재료를 기반으로 개발되었습니다. 이는 트랜지스터와 집적 회로 기술 발전의 기반이 되었습니다. 1세대 반도체 재료는 20세기 전자 산업의 기반을 마련했으며, 집적 회로 기술의 기본 소재입니다.
2세대 반도체 소재는 주로 갈륨비소, 인듐인화물, 인화갈륨, 인듐비소, 알루미늄비소, 그리고 이들의 3원 화합물을 포함합니다. 2세대 반도체 소재는 광전자 정보 산업의 기반이 됩니다. 이를 기반으로 조명, 디스플레이, 레이저, 태양광 발전 등 관련 산업이 발전했습니다. 2세대 반도체 소재는 현대 정보 기술 및 광전자 디스플레이 산업에서 널리 사용되고 있습니다.
3세대 반도체 재료의 대표적인 재료로는 질화갈륨과 탄화규소가 있습니다. 넓은 밴드갭, 높은 전자 포화 드리프트 속도, 높은 열전도도, 그리고 높은 항복 전계 강도를 가지고 있어 고전력 밀도, 고주파수, 저손실 전자 소자 제작에 이상적인 재료입니다. 그중 탄화규소 전력 소자는 높은 에너지 밀도, 낮은 에너지 소비, 그리고 작은 크기라는 장점을 가지고 있으며, 신에너지 자동차, 태양광 발전, 철도 운송, 빅데이터 등 다양한 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 가지고 있습니다. 질화갈륨 RF 소자는 고주파수, 고전력, 넓은 대역폭, 낮은 전력 소비, 그리고 작은 크기라는 장점을 가지고 있으며, 5G 통신, 사물 인터넷, 군사용 레이더 등 다양한 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 가지고 있습니다. 또한, 질화갈륨 기반 전력 소자는 저전압 분야에서 널리 사용되어 왔습니다. 또한, 최근 몇 년 동안 새롭게 등장하는 산화갈륨 소재는 기존 SiC 및 GaN 기술과 기술적 보완성을 형성할 것으로 예상되며, 저주파수 및 고전압 분야에서 잠재적인 응용 가능성을 가지고 있습니다.
2세대 반도체 재료와 비교했을 때, 3세대 반도체 재료는 더 넓은 밴드갭 폭(1세대 반도체 재료의 대표적인 재료인 Si의 밴드갭 폭은 약 1.1eV, 2세대 반도체 재료의 대표적인 재료인 GaAs의 밴드갭 폭은 약 1.42eV, 3세대 반도체 재료의 대표적인 재료인 GaN의 밴드갭 폭은 2.3eV 이상), 더 강한 방사선 저항성, 더 강한 전기장 파괴 저항성, 더 높은 온도 저항성을 가지고 있습니다. 더 넓은 밴드갭 폭을 가진 3세대 반도체 재료는 특히 방사선 저항성, 고주파, 고전력 및 고집적 밀도 전자 소자의 생산에 적합합니다. 마이크로파 무선 주파수 소자, LED, 레이저, 전력 소자 및 기타 분야에서의 응용은 많은 주목을 받았으며 모바일 통신, 스마트 그리드, 철도 교통, 신에너지 자동차, 가전 제품, 자외선 및 청록색 광 소자에서 광범위한 개발 전망을 보여주었습니다[1].
이미지 출처: CASA, Zheshang Securities Research Institute
그림 1 GaN 전력 소자 시간 척도 및 예측
II GaN 소재의 구조 및 특성
GaN은 직접 밴드갭 반도체입니다. 실온에서 wurtzite 구조의 밴드갭 폭은 약 3.26eV입니다. GaN 재료는 wurtzite 구조, sphalerite 구조, rock salt 구조의 세 가지 주요 결정 구조를 갖습니다. 이 중 wurtzite 구조가 가장 안정적인 결정 구조입니다. 그림 2는 GaN의 육방정계 wurtzite 구조를 나타낸 그림입니다. GaN 재료의 wurtzite 구조는 육방정계 조밀 구조에 속합니다. 각 단위 셀은 6개의 N 원자와 6개의 Ga 원자를 포함하여 12개의 원자로 구성됩니다. 각 Ga(N) 원자는 가장 가까운 4개의 N(Ga) 원자와 결합을 형성하며 [0001] 방향을 따라 ABABAB… 순서로 적층됩니다[2].
그림 2 Wurtzite 구조 GaN 결정 셀 다이어그램
III GaN 에피택시에 일반적으로 사용되는 기판
GaN 기판 상의 균일한 에피택시가 GaN 에피택시 형성에 가장 적합한 것으로 보입니다. 그러나 GaN의 큰 결합 에너지로 인해, 온도가 2500℃의 녹는점에 도달하면 해당 분해 압력은 약 4.5GPa입니다. 분해 압력이 이 압력보다 낮으면 GaN은 녹지 않고 바로 분해됩니다. 이로 인해 초크랄스키법과 같은 기존 기판 제조 기술은 GaN 단결정 기판 제조에 적합하지 않아 GaN 기판의 대량 생산이 어렵고 비용이 많이 듭니다. 따라서 GaN 에피택시 성장에 일반적으로 사용되는 기판은 주로 Si, SiC, 사파이어 등입니다. [3]
차트 3 GaN 및 일반적으로 사용되는 기판 재료의 매개변수
사파이어에 GaN 에피택시
사파이어는 안정적인 화학적 특성을 가지고 있으며, 가격이 저렴하고, 대량 생산 산업에서 높은 성숙도를 보입니다. 따라서 반도체 소자 엔지니어링 분야에서 가장 오래되고 널리 사용되는 기판 소재 중 하나가 되었습니다. GaN 에피택시에 일반적으로 사용되는 기판 중 하나인 사파이어 기판의 주요 해결 과제는 다음과 같습니다.
✔ 사파이어(Al2O3)와 GaN(약 15%) 사이의 큰 격자 부정합으로 인해 에피택셜층과 기판 계면의 결함 밀도가 매우 높습니다. 이러한 결함 밀도의 악영향을 줄이기 위해 에피택시 공정 시작 전에 기판에 복잡한 전처리 과정을 거쳐야 합니다. 사파이어 기판에 GaN 에피택시를 성장시키기 전에 먼저 기판 표면을 엄격하게 세정하여 오염 물질, 잔류 연마 손상 등을 제거하고 계단 및 계단 표면 구조를 형성해야 합니다. 그런 다음, 기판 표면을 질화하여 에피택셜층의 젖음성을 변화시킵니다. 마지막으로, 얇은 AlN 버퍼층(일반적으로 10~100nm 두께)을 기판 표면에 증착하고 저온에서 어닐링하여 최종 에피택시 성장을 준비합니다. 그럼에도 불구하고, 사파이어 기판에서 성장된 GaN 에피택셜 필름의 전위 밀도는 여전히 호모에피택셜 필름보다 높습니다(약 1010cm-2, 실리콘 호모에피택셜 필름이나 갈륨 비소화 호모에피택셜 필름의 전위 밀도는 본질적으로 0인 102~104cm-2와 비교). 결함 밀도가 높으면 캐리어 이동도가 감소하여 소수 캐리어 수명이 단축되고 열전도도가 낮아지며, 이 모든 것이 소자 성능을 저하시킵니다[4].
✔ 사파이어의 열팽창 계수는 GaN보다 크기 때문에 증착 온도에서 실온으로 냉각하는 과정에서 에피택셜층에 이축 압축 응력이 발생합니다. 더 두꺼운 에피택셜 박막의 경우, 이러한 응력은 박막 또는 기판의 균열을 유발할 수 있습니다.
✔ 다른 기판과 비교했을 때 사파이어 기판의 열전도도는 낮고(100℃에서 약 0.25W*cm-1*K-1) 방열 성능이 좋지 않습니다.
✔ 사파이어 기판은 전도성이 좋지 않아 다른 반도체 소자와의 통합 및 응용에 적합하지 않습니다.
사파이어 기판에 성장된 GaN 에피택셜층의 결함 밀도는 높지만, GaN 기반 청록색 LED의 광전자 성능을 크게 감소시키지 않는 것으로 보이므로 사파이어 기판은 여전히 GaN 기반 LED에 일반적으로 사용되는 기판입니다.
레이저나 기타 고밀도 전력 소자와 같은 GaN 소자의 새로운 응용 분야가 개발됨에 따라, 사파이어 기판의 고유한 결함은 GaN 소자 적용에 점차 큰 제약이 되고 있습니다. 또한, SiC 기판 성장 기술의 발전, 비용 절감, 그리고 Si 기판 기반 GaN 에피택셜 기술의 성숙으로 인해 사파이어 기판 기반 GaN 에피택셜층 성장 연구는 점차 냉각되는 추세를 보이고 있습니다.
SiC 위의 GaN 에피택시
사파이어에 비해 SiC 기판(4H 및 6H 결정)은 GaN 에피택셜층과의 격자 부정합이 더 작고(3.1%, [0001] 배향 에피택셜 필름과 동일), 열전도도가 더 높습니다(약 3.8W*cm-1*K-1). 또한, SiC 기판의 전도성 덕분에 기판 후면에 전기적 접촉을 형성할 수 있어 소자 구조를 단순화하는 데 도움이 됩니다. 이러한 장점 덕분에 점점 더 많은 연구자들이 탄화규소 기판 상의 GaN 에피택시 연구에 관심을 갖게 되었습니다.
그러나 GaN 에피층의 성장을 피하기 위해 SiC 기판에서 직접 작업하는 것도 다음을 포함한 여러 가지 단점에 직면합니다.
✔ SiC 기판의 표면 거칠기는 사파이어 기판(사파이어 거칠기 0.1nm RMS, SiC 거칠기 1nm RMS)보다 훨씬 높습니다. SiC 기판은 경도가 높고 가공 성능이 좋지 않으며, 이러한 거칠기와 잔류 연마 손상은 GaN 에피층의 결함 원인 중 하나이기도 합니다.
✔ SiC 기판의 나사 전위 밀도는 높습니다(전위 밀도 103-104cm-2), 나사 전위가 GaN 에피층으로 전파되어 소자 성능을 저하시킬 수 있습니다.
✔ 기판 표면의 원자 배열은 GaN 에피층에 적층 결함(BSF)을 유발합니다. SiC 기판 위의 에피택셜 GaN의 경우, 기판 위에 여러 가지 원자 배열 순서가 존재할 수 있으며, 이로 인해 에피택셜 GaN 층의 초기 원자 적층 순서가 일치하지 않아 적층 결함이 발생하기 쉽습니다. 적층 결함(SF)은 c축을 따라 내부 전계를 발생시켜 면내 캐리어 분리 소자의 누설과 같은 문제를 야기합니다.
✔ SiC 기판의 열팽창 계수는 AlN 및 GaN보다 작아 냉각 과정에서 에피택셜층과 기판 사이에 열응력이 축적됩니다. Waltereit와 Brand는 연구 결과를 바탕으로 얇고 응집된 AlN 핵형성층 위에 GaN 에피택셜층을 성장시킴으로써 이 문제를 완화하거나 해결할 수 있다고 예측했습니다.
✔ Ga 원자의 젖음성 저하 문제. SiC 표면에 GaN 에피택셜층을 직접 성장시킬 때, 두 원자 사이의 젖음성이 낮아 GaN은 기판 표면에 3차원 섬 성장(island growth)이 발생하기 쉽습니다. 버퍼층을 도입하는 것은 GaN 에피택시에서 에피택셜 재료의 품질을 향상시키는 데 가장 일반적으로 사용되는 솔루션입니다. AlN 또는 AlxGa1-xN 버퍼층을 도입하면 SiC 표면의 젖음성을 효과적으로 향상시키고 GaN 에피택셜층을 2차원으로 성장시킬 수 있습니다. 또한, 응력을 조절하고 기판 결함이 GaN 에피택시로 확장되는 것을 방지할 수 있습니다.
✔ SiC 기판의 제조 기술은 미숙하고, 기판 비용이 높으며, 공급업체가 적고 공급이 적습니다.
Torres 등의 연구에 따르면 에피택시 형성 전 고온(1600°C)에서 H2로 SiC 기판을 에칭하면 기판 표면에 더욱 정렬된 계단 구조를 형성하여 원래 기판 표면에 직접 성장시키는 것보다 더 높은 품질의 AlN 에피택시얼 막을 얻을 수 있습니다. Xie와 그의 팀의 연구는 또한 실리콘 카바이드 기판의 에칭 전처리가 GaN 에피택시얼층의 표면 형태와 결정 품질을 크게 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. Smith 등은 기판/버퍼층 및 버퍼층/에피택시얼층 계면에서 발생하는 스레딩 전위가 기판의 평탄도와 관련이 있음을 발견했습니다[5].
그림 4 6H-SiC 기판(0001)에 성장된 GaN 에피택셜층 샘플의 TEM 형태는 다양한 표면 처리 조건 하에서 나타났다. (a) 화학적 세정; (b) 화학적 세정 + 수소 플라즈마 처리; (c) 화학적 세정 + 수소 플라즈마 처리 + 1300℃ 수소 열처리(30분)
Si 위의 GaN 에피택시
실리콘 카바이드, 사파이어 및 기타 기판과 비교할 때, 실리콘 기판 제조 공정은 성숙되어 있으며, 높은 비용 대비 성능을 갖춘 성숙한 대형 기판을 안정적으로 제공할 수 있습니다. 동시에 열전도도와 전기 전도도가 우수하고, Si 전자 소자 공정 또한 성숙되어 있습니다. 향후 광전자 GaN 소자와 Si 전자 소자를 완벽하게 통합할 수 있는 가능성 또한 실리콘 기반 GaN 에피택시 성장에 큰 매력을 더합니다.
그러나 Si 기판과 GaN 소재 사이의 격자 상수 차이가 크기 때문에 Si 기판 위의 GaN 이종 에피택시는 전형적인 큰 불일치 에피택시이며, 다음과 같은 일련의 문제에 직면하게 됩니다.
✔ 표면 계면 에너지 문제. GaN이 Si 기판에서 성장할 때, Si 기판 표면은 먼저 질화되어 고밀도 GaN의 핵 생성 및 성장에 적합하지 않은 비정질 실리콘 질화물 층을 형성합니다. 또한, Si 표면은 먼저 Ga와 접촉하여 Si 기판 표면을 부식시킵니다. 고온에서는 Si 표면의 분해가 GaN 에피택셜층으로 확산되어 검은색 실리콘 반점을 형성합니다.
✔ GaN과 Si 사이의 격자 상수 불일치가 큽니다(~17%). 이로 인해 고밀도 나사산 전위가 형성되고 에피택셜 층의 품질이 크게 저하됩니다.
✔ GaN은 Si에 비해 열팽창 계수가 더 큽니다(GaN의 열팽창 계수는 약 5.6×10-6K-1, Si의 열팽창 계수는 약 2.6×10-6K-1). 에피택셜 온도가 실온으로 냉각되는 동안 GaN 에피택셜층에 균열이 발생할 수 있습니다.
✔ Si는 고온에서 NH3와 반응하여 다결정 SiNx를 형성합니다. AlN은 다결정 SiNx에 우선적으로 배향된 핵을 형성할 수 없으므로 이후 성장된 GaN 층의 무질서한 배향과 많은 결함으로 이어져 GaN 에피택셜 층의 결정 품질이 저하되고 단결정 GaN 에피택셜 층을 형성하는 데 어려움을 겪습니다[6].
큰 격자 부정합 문제를 해결하기 위해 연구자들은 Si 기판에 버퍼층으로 AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, SiC와 같은 재료를 도입하려고 시도했습니다. 다결정 SiNx의 형성을 피하고 GaN/AlN/Si(111) 재료의 결정 품질에 미치는 악영향을 줄이기 위해 일반적으로 AlN 버퍼층의 에피택셜 성장 전에 일정 시간 동안 TMAl을 도입하여 NH3가 노출된 Si 표면과 반응하여 SiNx를 형성하는 것을 방지해야 합니다. 또한, 패턴 기판 기술과 같은 에피택셜 기술을 사용하여 에피택셜층의 품질을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 기술의 개발은 에피택셜 계면에서 SiNx의 형성을 억제하고, GaN 에피택셜층의 2차원 성장을 촉진하고, 에피택셜층의 성장 품질을 개선하는 데 도움이 됩니다. 또한, 실리콘 기판 위 GaN 에피택셜층의 균열을 방지하기 위해 열팽창 계수 차이로 인한 인장 응력을 보상하기 위해 AlN 버퍼층이 도입되었습니다. Krost의 연구는 AlN 버퍼층의 두께와 변형률 감소 사이에 양의 상관관계가 있음을 보여줍니다. 버퍼층 두께가 12nm에 도달하면, 적절한 성장 방식을 통해 에피택셜층 균열 없이 실리콘 기판 위에 6μm보다 두꺼운 에피택셜층을 성장시킬 수 있습니다.
연구자들의 장기적인 노력으로 실리콘 기판 위에 성장된 GaN 에피택셜 층의 품질이 크게 개선되었고, 전계 효과 트랜지스터, 쇼트키 장벽 자외선 검출기, 청록색 LED, 자외선 레이저와 같은 소자가 상당한 진전을 이루었습니다.
요약하자면, 일반적으로 사용되는 GaN 에피택셜 기판은 모두 이종 에피택시이기 때문에 격자 부정합이나 열팽창 계수의 큰 차이와 같은 공통적인 문제에 직면합니다. 균질한 에피택셜 GaN 기판은 기술 성숙도에 제약을 받으며, 아직 대량 생산되지 않았습니다. 생산 비용이 높고, 기판 크기가 작으며, 기판 품질이 좋지 않습니다. 새로운 GaN 에피택셜 기판의 개발과 에피택셜 품질 향상은 여전히 GaN 에피택셜 산업의 발전을 저해하는 중요한 요인 중 하나입니다.
IV. GaN 에피택시를 위한 일반적인 방법
MOCVD(화학기상증착)
GaN 기판 상의 균일한 에피택시가 GaN 에피택시 형성에 가장 적합한 것으로 보입니다. 그러나 화학 기상 증착(CVD)의 전구체는 트리메틸갈륨과 암모니아이고 운반 가스는 수소이므로, 일반적인 MOCVD 성장 온도는 약 1000~1100℃이며, MOCVD의 성장 속도는 시간당 수 마이크론 정도입니다. MOCVD는 원자 수준에서 가파른 계면을 형성할 수 있어 이종접합, 양자우물, 초격자 및 기타 구조의 성장에 매우 적합합니다. 빠른 성장 속도, 우수한 균일성, 그리고 대면적 및 다층 성장에 대한 적합성은 산업 생산에 자주 사용됩니다.
MBE(분자빔 에피택시)
분자선 에피택시에서 갈륨(Ga)은 원소 공급원을 사용하고, 활성 질소는 RF 플라즈마를 통해 질소로부터 얻습니다. MOCVD법에 비해 MBE 성장 온도는 약 350~400℃ 낮습니다. 낮은 성장 온도는 고온 환경에서 발생할 수 있는 특정 오염을 방지할 수 있습니다. MBE 시스템은 초고진공에서 작동하기 때문에 더 많은 현장 검출 방법을 통합할 수 있습니다. 동시에, MOCVD에 비해 성장 속도와 생산 용량이 뛰어나 과학 연구에 더 많이 활용됩니다[7].
그림 5 (a) Eiko-MBE 개략도 (b) MBE 주 반응 챔버 개략도
HVPE 방식(수소화물 기상 에피택시)
수소화물 기상 에피택시법의 전구체는 GaCl3와 NH3입니다. Detchprohm 등은 이 방법을 사용하여 사파이어 기판 표면에 수백 마이크론 두께의 GaN 에피택시얼층을 성장시켰습니다. 실험에서 사파이어 기판과 에피택시얼층 사이에 버퍼층으로 ZnO 층을 성장시키고, 에피택시얼층을 기판 표면에서 박리했습니다. MOCVD 및 MBE와 비교했을 때 HVPE법의 주요 특징은 높은 성장 속도로 두꺼운 층과 벌크 재료 생산에 적합하다는 것입니다. 그러나 에피택시얼층의 두께가 20μm를 초과하면 이 방법으로 제조된 에피택시얼층에 균열이 발생하기 쉽습니다.
아키라 우스이는 이 방법을 기반으로 패턴 기판 기술을 도입했습니다. 그들은 먼저 MOCVD 방법을 사용하여 사파이어 기판에 1~1.5μm 두께의 얇은 GaN 에피택셜층을 성장시켰습니다. 에피택셜층은 저온 조건에서 성장된 20nm 두께의 GaN 버퍼층과 고온 조건에서 성장된 GaN층으로 구성되었습니다. 그런 다음 430°C에서 에피택셜층 표면에 SiO2 층을 도금하고, 포토리소그래피를 사용하여 SiO2 필름에 윈도우 스트라이프를 만들었습니다. 스트라이프 간격은 7μm였고 마스크 폭은 1μm에서 4μm였습니다. 이러한 개선을 통해 그들은 두께가 수십 또는 수백 마이크론으로 증가하더라도 균열이 없고 거울처럼 매끄러운 2인치 직경의 사파이어 기판에 GaN 에피택셜층을 얻었습니다. 결함 밀도는 기존 HVPE 방법의 109-1010cm-2에서 약 6×107cm-2로 감소했습니다. 또한, 실험에서 성장 속도가 75μm/h를 초과하면 샘플 표면이 거칠어지는 현상이 관찰되었습니다[8].
그림 6 그래픽 기판 개략도
V. 요약 및 전망
GaN 소재는 2014년 청색 LED가 노벨 물리학상을 수상하면서 등장하기 시작하여 가전제품 분야의 고속 충전 분야에 본격적으로 적용되기 시작했습니다. 실제로, 대부분의 사람들이 눈으로 직접 볼 수 없는 5G 기지국에 사용되는 전력 증폭기와 RF 소자에도 응용 분야가 조용히 등장했습니다. 최근 몇 년 동안 GaN 기반 자동차용 전력 소자의 획기적인 발전은 GaN 소재 응용 시장의 새로운 성장 동력을 열어줄 것으로 예상됩니다.
엄청난 시장 수요는 GaN 관련 산업 및 기술 발전을 확실히 촉진할 것입니다. GaN 관련 산업 체인의 성숙과 발전에 따라 현재 GaN 에피택셜 기술이 직면한 문제는 궁극적으로 개선되거나 극복될 것입니다. 앞으로 사람들은 더 많은 새로운 에피택셜 기술과 더욱 우수한 기판 옵션을 개발할 것입니다. 그렇게 되면 사람들은 다양한 응용 시나리오의 특성에 따라 가장 적합한 외부 연구 기술과 기판을 선택하고 가장 경쟁력 있는 맞춤형 제품을 생산할 수 있게 될 것입니다.
게시 시간: 2024년 6월 28일