1. 3세대 반도체
1세대 반도체 기술은 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge) 등의 반도체 소재를 기반으로 개발되었습니다. 이는 트랜지스터와 집적회로 기술 개발의 토대가 되었습니다. 1세대 반도체 소재는 20세기 전자 산업의 기반을 마련했으며, 집적회로 기술의 핵심 소재입니다.
2세대 반도체 소재는 주로 갈륨비소, 인듐인화물, 갈륨인화물, 인듐비소, 알루미늄비소 및 이들의 삼원 화합물을 포함한다. 2세대 반도체 소재는 광전자 정보 산업의 기반이 되며, 이를 바탕으로 조명, 디스플레이, 레이저, 태양광 발전 등 관련 산업이 발전해 왔다. 또한, 현대 정보 기술 및 광전자 디스플레이 산업에서 널리 사용되고 있다.
3세대 반도체 소재의 대표적인 예로는 질화갈륨(GaN)과 탄화규소(SiC)가 있습니다. 이들은 넓은 밴드갭, 높은 전자 포화 드리프트 속도, 높은 열전도율, 높은 항복 전계 강도 등의 특성으로 인해 고출력, 고주파, 저손실 전자 소자 제작에 이상적인 소재입니다. 특히 탄화규소 전력 소자는 높은 에너지 밀도, 낮은 에너지 소비, 소형화 등의 장점을 지니고 있어 신에너지 자동차, 태양광 발전, 철도 운송, 빅데이터 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 높습니다. 질화갈륨 RF 소자는 고주파, 고출력, 넓은 대역폭, 낮은 에너지 소비, 소형화 등의 장점을 가지고 있어 5G 통신, 사물인터넷(IoT), 군용 레이더 등 다양한 분야에서 활용될 전망입니다. 또한, 질화갈륨 기반 전력 소자는 저전압 분야에서도 널리 사용되고 있습니다. 최근에는 새로운 산화갈륨 소재가 기존 SiC 및 GaN 기술과의 기술적 상호보완성을 형성하며 저주파 및 고전압 분야에서 활용 가능성이 주목받고 있습니다.
2세대 반도체 소재와 비교하여 3세대 반도체 소재는 더 넓은 밴드갭 폭(1세대 반도체 소재의 대표적인 물질인 Si의 밴드갭 폭은 약 1.1eV, 2세대 반도체 소재의 대표적인 물질인 GaAs의 밴드갭 폭은 약 1.42eV, 3세대 반도체 소재의 대표적인 물질인 GaN의 밴드갭 폭은 2.3eV 이상), 더 강한 방사선 저항성, 전기장 파괴 저항성, 그리고 더 높은 내열성을 가지고 있다. 밴드갭 폭이 넓은 3세대 반도체 소재는 방사선 저항성, 고주파, 고출력, 고집적 전자 기기 생산에 특히 적합하다. 마이크로파 무선 주파수 기기, LED, 레이저, 전력 소자 등 다양한 분야에서의 응용 가능성이 주목받고 있으며, 이동통신, 스마트 그리드, 철도 운송, 신에너지 자동차, 가전제품, 자외선 및 청록색 조명 기기 등에서 폭넓은 발전 가능성을 보여주고 있다[1].
이미지 출처: 중국과학원(CASA), 저장증권연구소
그림 1. GaN 전력 소자 시간 척도 및 예측
II. GaN 소재의 구조 및 특성
GaN은 직접 밴드갭 반도체입니다. 상온에서 우르차이트 구조의 밴드갭 폭은 약 3.26eV입니다. GaN 물질은 우르차이트 구조, 스팔레라이트 구조, 암염 구조의 세 가지 주요 결정 구조를 가지고 있습니다. 이 중 우르차이트 구조가 가장 안정한 결정 구조입니다. 그림 2는 GaN의 육각형 우르차이트 구조의 모식도입니다. GaN 물질의 우르차이트 구조는 육방 밀집 구조에 속합니다. 각 단위 셀은 6개의 N 원자와 6개의 Ga 원자를 포함하여 총 12개의 원자로 구성됩니다. 각 Ga(N) 원자는 가장 가까운 4개의 N(Ga) 원자와 결합을 형성하며, [0001] 방향을 따라 ABABAB… 순서로 쌓여 있습니다[2].
그림 2. 부르차이트 구조 GaN 결정 단위 셀 다이어그램
III. GaN 에피택시에 일반적으로 사용되는 기판
GaN 에피택시에는 GaN 기판 상의 균일 에피택시가 최적의 선택인 것으로 보인다. 그러나 GaN은 결합 에너지가 크기 때문에 온도가 2500℃의 융점에 도달하면 분해 압력이 약 4.5GPa에 달한다. 분해 압력이 이보다 낮으면 GaN은 녹지 않고 직접 분해된다. 이 때문에 초크랄스키법과 같은 기존의 기판 제조 기술로는 GaN 단결정 기판을 제조할 수 없어 GaN 기판의 대량 생산이 어렵고 비용이 많이 든다. 따라서 GaN 에피택시 성장에 일반적으로 사용되는 기판은 주로 Si, SiC, 사파이어 등이다[3].
도표 3. GaN 및 일반적으로 사용되는 기판 재료의 매개변수
사파이어 기판 위에 GaN 에피택시
사파이어는 화학적 성질이 안정적이고 가격이 저렴하며 대규모 생산 산업이 이미 성숙되어 있어 반도체 소자 공학에서 가장 초기에 널리 사용된 기판 재료 중 하나입니다. 특히 GaN 에피택시에 흔히 사용되는 기판 중 하나인 사파이어 기판에서 해결해야 할 주요 문제점은 다음과 같습니다.
✔ 사파이어(Al2O3)와 GaN 사이의 큰 격자 불일치(약 15%)로 인해 에피택시층과 기판 사이의 계면에서 결함 밀도가 매우 높습니다. 이러한 악영향을 줄이기 위해 에피택시 공정 시작 전에 기판에 복잡한 전처리를 수행해야 합니다. 사파이어 기판 위에 GaN 에피택시를 성장시키기 전에, 기판 표면의 오염물질, 연마 잔여물 등을 제거하고 계단 및 계단 표면 구조를 형성하기 위해 철저한 세척이 필요합니다. 그런 다음, 에피택시층의 젖음성을 개선하기 위해 기판 표면을 질화 처리합니다. 마지막으로, 최종 에피택시 성장을 위한 준비를 위해 기판 표면에 얇은 AlN 버퍼층(일반적으로 10~100nm 두께)을 증착하고 저온에서 어닐링해야 합니다. 그럼에도 불구하고 사파이어 기판 위에 성장된 GaN 에피택셜 필름의 전위 밀도는 동종 에피택셜 필름보다 여전히 높습니다(실리콘 동종 에피택셜 필름이나 갈륨비소 동종 에피택셜 필름의 전위 밀도가 거의 0이거나 102~104cm-2인 것과 비교하면 약 1010cm-2). 높은 결함 밀도는 캐리어 이동도를 감소시켜 소수 캐리어 수명을 단축시키고 열전도도를 감소시켜 결국 소자 성능을 저하시킵니다[4].
✔ 사파이어의 열팽창 계수는 GaN보다 크기 때문에 증착 온도에서 실온까지 냉각되는 과정에서 에피택셜 층에 이축 압축 응력이 발생합니다. 에피택셜 박막이 두꺼울수록 이러한 응력으로 인해 박막이나 기판에 균열이 발생할 수 있습니다.
✔ 다른 기판과 비교했을 때 사파이어 기판의 열전도율은 낮고(100℃에서 약 0.25W*cm-1*K-1), 방열 성능이 떨어집니다.
✔ 사파이어 기판은 전도성이 낮아 다른 반도체 소자와의 통합 및 응용에 적합하지 않습니다.
사파이어 기판 위에 성장된 GaN 에피택셜 층의 결함 밀도는 높지만, GaN 기반 청록색 LED의 광전자 성능을 크게 저하시키지는 않는 것으로 보이며, 따라서 사파이어 기판은 여전히 GaN 기반 LED에 널리 사용되는 기판이다.
레이저나 기타 고밀도 전력 소자와 같은 GaN 소자의 새로운 응용 분야가 개발됨에 따라 사파이어 기판의 고유한 결함은 응용에 있어 점점 더 큰 제약 요인이 되고 있습니다. 게다가 SiC 기판 성장 기술의 발전, 비용 절감, 그리고 Si 기판 상의 GaN 에피택셜 기술의 성숙으로 인해 사파이어 기판 상의 GaN 에피택셜 층 성장 연구는 점차 감소하는 추세를 보이고 있습니다.
SiC 기판 위에 GaN 에피택시
사파이어 기판과 비교했을 때, SiC 기판(4H 및 6H 결정)은 GaN 에피택셜 층과의 격자 불일치가 더 작고(3.1%, [0001] 방향 에피택셜 박막과 동일), 열전도율이 더 높으며(약 3.8W*cm⁻¹*K⁻¹), 기타 여러 장점을 가지고 있습니다. 또한, SiC 기판의 높은 전도성 덕분에 기판 뒷면에 전기 접점을 형성할 수 있어 소자 구조를 단순화할 수 있습니다. 이러한 장점들 때문에 점점 더 많은 연구자들이 탄화규소 기판 위에 GaN 에피택시를 적용하는 연구에 매진하고 있습니다.
하지만 GaN 에피층 성장을 피하고 SiC 기판에 직접 작업하는 방식에는 다음과 같은 여러 단점이 있습니다.
✔ SiC 기판의 표면 거칠기는 사파이어 기판보다 훨씬 높습니다(사파이어 거칠기 0.1nm RMS, SiC 거칠기 1nm RMS). SiC 기판은 경도가 높고 가공성이 떨어지며, 이러한 거칠기와 잔류 연마 손상은 GaN 에피층의 결함 발생 원인 중 하나입니다.
✔ SiC 기판의 나사 전위 밀도가 높기 때문에(전위 밀도 10³-10⁴cm⁻²), 나사 전위가 GaN 에피층으로 전파되어 소자 성능을 저하시킬 수 있습니다.
✔ 기판 표면의 원자 배열은 GaN 에피층에 적층 결함(BSF) 형성을 유발합니다. SiC 기판 위에 에피택셜 GaN을 성장시킬 경우, 기판에는 여러 가지 가능한 원자 배열 순서가 존재하여 에피택셜 GaN 층의 초기 원자 적층 순서가 일정하지 않게 되고, 이는 적층 결함 발생에 취약하게 만듭니다. 적층 결함(SF)은 c축을 따라 내부 전기장을 생성하여 평면 캐리어 분리 소자의 누설 전류와 같은 문제를 야기합니다.
✔ SiC 기판의 열팽창 계수는 AlN 및 GaN보다 작기 때문에 냉각 과정에서 에피택셜 층과 기판 사이에 열 응력이 축적됩니다. Waltereit와 Brand는 연구 결과를 바탕으로 얇고 균일하게 변형된 AlN 핵 생성층 위에 GaN 에피택셜 층을 성장시키면 이 문제를 완화하거나 해결할 수 있다고 예측했습니다.
✔ Ga 원자의 낮은 젖음성 문제. SiC 표면에 GaN 에피택시층을 직접 성장시킬 때, 두 원자 사이의 젖음성이 낮아 GaN이 기판 표면에 3차원 섬 형태로 성장하는 경향이 있습니다. GaN 에피택시에서 에피택시 재료의 품질을 향상시키는 가장 일반적인 해결책은 버퍼층을 도입하는 것입니다. AlN 또는 AlxGa1-xN 버퍼층을 도입하면 SiC 표면의 젖음성을 효과적으로 개선하여 GaN 에피택시층이 2차원으로 성장할 수 있습니다. 또한, 응력을 조절하고 기판 결함이 GaN 에피택시층으로 확장되는 것을 방지할 수 있습니다.
✔ SiC 기판 제조 기술이 미성숙하고, 기판 비용이 높으며, 공급업체가 적고 공급량이 부족합니다.
Torres 등의 연구에 따르면 에피택시 전에 고온(1600°C)에서 H2로 SiC 기판을 에칭하면 기판 표면에 더 규칙적인 계단 구조를 형성하여 원래 기판 표면에 직접 성장시키는 것보다 더 높은 품질의 AlN 에피택시 박막을 얻을 수 있습니다. Xie와 그의 연구팀의 연구에서도 탄화규소 기판의 에칭 전처리가 GaN 에피택시 층의 표면 형태와 결정 품질을 크게 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. Smith 등은 기판/버퍼층 및 버퍼층/에피택시 층 계면에서 발생하는 전위가 기판의 평탄도와 관련이 있음을 발견했습니다[5].
그림 4. 서로 다른 표면 처리 조건(a) 화학 세척; (b) 화학 세척 + 수소 플라즈마 처리; (c) 화학 세척 + 수소 플라즈마 처리 + 1300℃ 수소 열처리(30분)에서 6H-SiC 기판(0001) 위에 성장시킨 GaN 에피택셜 층 시료의 TEM 형태.
Si 기판 위에 GaN 에피택시
탄화규소, 사파이어 등의 기판과 비교했을 때, 실리콘 기판 제조 공정은 성숙되어 있으며, 높은 가성비를 갖춘 안정적인 대형 기판을 제공할 수 있습니다. 또한, 열전도율과 전기전도율이 우수하고, 실리콘 전자 소자 공정이 성숙되어 있습니다. 향후 광전자 GaN 소자와 실리콘 전자 소자를 완벽하게 통합할 수 있는 가능성 또한 실리콘 기판 위에 GaN 에피택시를 성장시키는 것을 매우 매력적으로 만듭니다.
하지만 Si 기판과 GaN 물질 사이의 격자 상수 차이가 크기 때문에 Si 기판 위에 GaN을 이종 에피택시하는 것은 전형적인 큰 격자 불일치 에피택시이며, 여러 가지 문제에 직면해야 합니다.
✔ 표면 계면 에너지 문제. GaN이 Si 기판 위에 성장할 때, Si 기판 표면은 먼저 질화되어 비정질 질화규소 층을 형성하는데, 이는 고밀도 GaN의 핵 생성 및 성장에 적합하지 않습니다. 또한, Si 표면은 Ga와 먼저 접촉하게 되어 Si 기판 표면을 부식시킵니다. 고온에서는 Si 표면의 분해 산물이 GaN 에피택셜 층으로 확산되어 검은색 실리콘 반점을 형성합니다.
✔ GaN과 Si 사이의 격자 상수 불일치가 커서(~17%) 고밀도 전위가 형성되고 에피택셜 층의 품질이 크게 저하됩니다.
✔ Si에 비해 GaN은 열팽창 계수가 더 크기 때문에(GaN의 열팽창 계수는 약 5.6×10⁻⁶K⁻¹이고 Si의 열팽창 계수는 약 2.6×10⁻⁶K⁻¹임), 에피택시 온도를 실온으로 냉각하는 동안 GaN 에피택시 층에 균열이 발생할 수 있습니다.
✔ Si는 고온에서 NH3와 반응하여 다결정 SiNx를 형성합니다. AlN은 다결정 SiNx 위에 우선적으로 배향된 핵을 형성할 수 없으므로 후속적으로 성장하는 GaN 층의 배향이 불규칙해지고 결함 수가 많아져 GaN 에피택셜 층의 결정 품질이 저하되고 단결정 GaN 에피택셜 층을 형성하는 것조차 어려워집니다[6].
격자 불일치 문제를 해결하기 위해 연구자들은 Si 기판 위에 AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, SiC와 같은 물질을 버퍼층으로 도입하는 방법을 시도해 왔습니다. 다결정 SiNx의 형성을 방지하고 GaN/AlN/Si(111) 구조의 결정 품질에 미치는 악영향을 줄이기 위해, AlN 버퍼층의 에피택셜 성장 전에 일정 시간 동안 TMAl을 도입하여 NH3가 노출된 Si 표면과 반응하여 SiNx를 형성하는 것을 방지하는 것이 일반적입니다. 또한, 패턴 기판 기술과 같은 에피택셜 기술을 사용하여 에피택셜 층의 품질을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 기술의 발전은 에피택셜 계면에서의 SiNx 형성을 억제하고, GaN 에피택셜 층의 2차원 성장을 촉진하며, 에피택셜 층의 성장 품질을 개선하는 데 도움이 됩니다. 또한, 실리콘 기판 위의 GaN 에피택셜 층에 균열이 생기는 것을 방지하기 위해 열팽창 계수 차이로 인한 인장 응력을 보상하고자 AlN 버퍼층을 도입하였다. 크로스트의 연구에 따르면 AlN 버퍼층의 두께와 변형률 감소 사이에 양의 상관관계가 있다. 버퍼층 두께가 12nm에 도달하면 적절한 성장 방식을 통해 에피택셜 층 균열 없이 실리콘 기판 위에 6μm보다 두꺼운 에피택셜 층을 성장시킬 수 있다.
연구자들의 오랜 노력 끝에 실리콘 기판 위에 성장시킨 GaN 에피택셜 층의 품질이 크게 향상되었고, 이에 따라 전계 효과 트랜지스터, 쇼트키 장벽 자외선 검출기, 청록색 LED 및 자외선 레이저와 같은 소자들이 상당한 진전을 이루었습니다.
요약하자면, 일반적으로 사용되는 GaN 에피택시 기판은 모두 이종 에피택시 기판이기 때문에 격자 불일치 및 열팽창 계수의 큰 차이와 같은 공통적인 문제점을 가지고 있습니다. 동종 에피택시 GaN 기판은 기술 성숙도가 낮아 아직 대량 생산이 이루어지지 않았으며, 생산 비용이 높고 기판 크기가 작으며 기판 품질이 이상적이지 않습니다. 새로운 GaN 에피택시 기판의 개발과 에피택시 품질 향상은 GaN 에피택시 산업의 추가 발전을 저해하는 중요한 요소 중 하나입니다.
IV. GaN 에피택시의 일반적인 방법
MOCVD(화학 기상 증착)
GaN 기판 상의 균일한 에피택시는 GaN 에피택시 성장에 가장 적합한 방법으로 여겨집니다. 화학 기상 증착(CVD)의 전구체는 트리메틸갈륨과 암모니아이고, 운반 기체는 수소이기 때문에, 일반적인 MOCVD 성장 온도는 약 1000~1100℃이며, 성장 속도는 시간당 수 마이크론 정도입니다. 이러한 조건은 원자 수준에서 급격한 계면을 형성할 수 있어 이종 접합, 양자 우물, 초격자 등의 구조 성장에 매우 적합합니다. 빠른 성장 속도, 우수한 균일성, 그리고 대면적 및 다중 소자 성장에 대한 적합성 덕분에 산업 생산에서 널리 사용되고 있습니다.
MBE(분자빔 에피택시)
분자빔 에피택시(MBE)에서 Ga는 원소 소스를 사용하고 활성 질소는 RF 플라즈마를 통해 질소로부터 얻습니다. MOCVD 방식과 비교하면 MBE 성장 온도는 약 350~400℃ 낮습니다. 낮은 성장 온도는 고온 환경으로 인해 발생할 수 있는 특정 오염을 방지할 수 있습니다. MBE 시스템은 초고진공 상태에서 작동하므로 더 많은 현장 검출 방법을 통합할 수 있습니다. 동시에 성장 속도와 생산 능력은 MOCVD에 비해 떨어지며 과학 연구 분야에서 더 많이 사용됩니다[7].
그림 5 (a) Eiko-MBE 개략도 (b) MBE 주 반응 챔버 개략도
HVPE 방식(수소화물 기상 에피택시)
수소화물 기상 에피택시(HVPE) 방법의 전구체는 GaCl₃와 NH₃입니다. Detchprohm 등은 이 방법을 이용하여 사파이어 기판 표면에 수백 마이크론 두께의 GaN 에피택시층을 성장시켰습니다. 그들의 실험에서는 사파이어 기판과 에피택시층 사이에 ZnO 층을 버퍼층으로 성장시킨 후, 에피택시층을 기판 표면에서 박리했습니다. MOCVD 및 MBE와 비교했을 때, HVPE 방법의 주요 특징은 높은 성장 속도로, 두꺼운 층과 벌크 재료 생산에 적합하다는 점입니다. 그러나 에피택시층의 두께가 20μm를 초과하면 이 방법으로 제작된 에피택시층은 균열이 발생하기 쉽습니다.
아키라 우스이(Akira USUI)는 이 방법을 기반으로 패턴 기판 기술을 도입했습니다. 그들은 먼저 MOCVD 방법을 사용하여 사파이어 기판 위에 1~1.5μm 두께의 얇은 GaN 에피택셜 층을 성장시켰습니다. 이 에피택셜 층은 저온 조건에서 성장시킨 20nm 두께의 GaN 버퍼층과 고온 조건에서 성장시킨 GaN 층으로 구성되었습니다. 그런 다음 430℃에서 에피택셜 층 표면에 SiO2 층을 도금하고, 포토리소그래피를 이용하여 SiO2 박막 위에 윈도우 스트라이프를 형성했습니다. 스트라이프 간격은 7μm였고, 마스크 폭은 1μm에서 4μm 사이였습니다. 이러한 개선을 통해 그들은 직경 2인치 사파이어 기판 위에 수십 또는 수백 마이크론 두께에 이르기까지 균열 없이 거울처럼 매끄러운 GaN 에피택셜 층을 얻을 수 있었습니다. 결함 밀도는 기존 HVPE 방법의 10⁹~10¹⁰cm⁻²에서 약 6×10⁷cm⁻²로 감소했습니다. 그들은 또한 실험에서 성장 속도가 75μm/h를 초과하면 시료 표면이 거칠어진다는 점을 지적했습니다[8].
그림 6. 기판 개략도
V. 요약 및 전망
GaN 소재는 2014년 노벨 물리학상을 수상한 청색 LED를 시작으로 주목받기 시작했으며, 소비자 가전 분야의 고속 충전 애플리케이션에 활용되면서 대중에게 알려지게 되었습니다. 실제로, 일반인들이 직접 볼 수는 없지만 5G 기지국에 사용되는 전력 증폭기 및 RF 장치 분야에서도 조용히 응용 가능성이 드러나고 있습니다. 최근 몇 년 동안 GaN 기반 자동차용 전력 소자의 획기적인 발전은 GaN 소재 응용 시장에 새로운 성장 동력을 열어줄 것으로 기대됩니다.
막대한 시장 수요는 GaN 관련 산업 및 기술 발전을 촉진할 것입니다. GaN 관련 산업 사슬이 성숙되고 개선됨에 따라 현재의 GaN 에피택시 기술이 직면한 문제점들은 점차 개선되거나 극복될 것입니다. 미래에는 더욱 다양한 새로운 에피택시 기술과 우수한 기판 옵션들이 개발될 것이며, 사람들은 각 응용 분야의 특성에 따라 가장 적합한 외부 연구 기술과 기판을 선택하여 가장 경쟁력 있는 맞춤형 제품을 생산할 수 있게 될 것입니다.
게시 시간: 2024년 6월 28일