1. 3세대 반도체
1세대 반도체 기술은 Si, Ge 등의 반도체 소재를 기반으로 개발됐다. 이는 트랜지스터 및 집적 회로 기술 개발의 물질적 기반입니다. 1세대 반도체 소재는 20세기 전자산업의 초석이자 집적회로 기술의 기초 소재다.
2세대 반도체 재료에는 주로 갈륨비소, 인듐인화물, 갈륨인화물, 인듐비소, 알루미늄비소 및 이들의 삼원 화합물이 포함됩니다. 2세대 반도체 소재는 광전자정보산업의 근간이다. 이를 바탕으로 조명, 디스플레이, 레이저, 태양광발전 등 관련 산업이 발전해 왔다. 이는 현대 정보 기술 및 광전자 디스플레이 산업에서 널리 사용됩니다.
3세대 반도체 소재의 대표적인 소재로는 질화갈륨, 탄화규소 등이 있다. 넓은 밴드 갭, 높은 전자 포화 표류 속도, 높은 열 전도성 및 높은 항복 전계 강도로 인해 고전력 밀도, 고주파수 및 저손실 전자 장치를 제조하는 데 이상적인 재료입니다. 그중 탄화규소 전력 장치는 높은 에너지 밀도, 낮은 에너지 소비 및 작은 크기라는 장점을 갖고 있으며 신에너지 차량, 태양광발전, 철도 운송, 빅데이터 및 기타 분야에서 광범위한 응용 전망을 가지고 있습니다. 질화 갈륨 RF 장치는 고주파수, 고전력, 넓은 대역폭, 낮은 전력 소비 및 작은 크기의 장점을 가지며 5G 통신, 사물 인터넷, 군용 레이더 및 기타 분야에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다. 또한, 저전압 분야에서는 질화갈륨 기반 전력소자가 널리 사용되고 있다. 또한, 최근 신흥 갈륨 산화물 소재는 기존 SiC 및 GaN 기술과 기술적 보완성을 형성할 것으로 예상되며 저주파 및 고전압 분야에서 잠재적인 응용 가능성을 가지고 있습니다.
2세대 반도체 소재에 비해 3세대 반도체 소재는 밴드갭 폭이 더 넓다(1세대 반도체 소재의 대표 소재인 Si의 밴드갭 폭은 약 1.1eV로, 대표적인 소재인 GaAs의 밴드갭 폭). 2세대 반도체 소재의 재료는 약 1.42eV이고, 3세대 반도체 소재의 대표적인 소재인 GaN의 밴드갭 폭은 2.3eV 이상), 방사선 저항이 강하고 저항이 강함 전기장 파괴 및 더 높은 온도 저항. 밴드갭 폭이 더 넓은 3세대 반도체 소재는 특히 내방사선성, 고주파수, 고출력, 고집적 밀도 전자 장치 생산에 적합합니다. 마이크로파 무선 주파수 장치, LED, 레이저, 전력 장치 및 기타 분야에서의 응용은 많은 관심을 끌었으며 이동 통신, 스마트 그리드, 철도 운송, 신에너지 차량, 가전 제품, 자외선 및 청색 분야에서 광범위한 개발 전망을 보여주었습니다. -녹색광 장치 [1].
이미지 출처: CASA, Zheshang Securities Research Institute
그림 1 GaN 전력 장치 시간 규모 및 예측
II GaN 재료 구조 및 특성
GaN은 직접 밴드갭 반도체입니다. 상온에서 우르츠광 구조의 밴드갭 폭은 약 3.26eV이다. GaN 재료는 우르츠광(wurtzite) 구조, 섬아연석(sphalerite) 구조 및 암염 구조의 세 가지 주요 결정 구조를 가지고 있습니다. 그 중 우르츠광 구조는 가장 안정적인 결정구조이다. 그림 2는 GaN의 육각형 우르츠광 구조를 나타낸 도면이다. GaN 소재의 우르츠광 구조는 육각형 밀집 구조에 속합니다. 각 단위 셀에는 N 원자 6개와 Ga 원자 6개를 포함하여 12개의 원자가 있습니다. 각 Ga(N) 원자는 가장 가까운 N(Ga) 원자 4개와 결합을 형성하며 [0001] 방향을 따라 ABABAB…
그림 2 Wurtzite 구조 GaN 결정 셀 다이어그램
III GaN 에피택시에 일반적으로 사용되는 기판
GaN 기판의 균일한 에피택시는 GaN 에피택시를 위한 최선의 선택인 것 같습니다. 그러나 GaN의 결합 에너지가 크기 때문에 온도가 녹는점 2500℃에 도달하면 해당 분해 압력은 약 4.5GPa입니다. 분해 압력이 이 압력보다 낮으면 GaN은 녹지 않고 직접 분해된다. 이로 인해 Czochralski 방법과 같은 성숙한 기판 준비 기술은 GaN 단결정 기판 준비에 적합하지 않게 되어 GaN 기판의 대량 생산이 어렵고 비용이 많이 듭니다. 따라서 GaN 에피택셜 성장에 일반적으로 사용되는 기판은 주로 Si, SiC, 사파이어 등입니다.[3]
차트 3 GaN 및 일반적으로 사용되는 기판 재료의 매개변수
사파이어의 GaN 에피택시
사파이어는 화학적 성질이 안정적이고 가격이 저렴하며 대규모 생산 산업의 성숙도가 높습니다. 따라서 반도체 장치 공학에서 가장 초기이자 가장 널리 사용되는 기판 재료 중 하나가 되었습니다. GaN 에피택시에 일반적으로 사용되는 기판 중 하나인 사파이어 기판에 대해 해결해야 할 주요 문제는 다음과 같습니다.
✔ 사파이어(Al2O3)와 GaN(약 15%) 사이의 큰 격자 불일치로 인해 에피택시층과 기판 사이의 경계면에서 결함 밀도가 매우 높습니다. 부작용을 줄이기 위해 기판은 에피택시 공정이 시작되기 전에 복잡한 전처리를 거쳐야 합니다. 사파이어 기판에 GaN 에피택시를 성장시키기 전에 먼저 기판 표면을 엄격하게 세척하여 오염 물질, 잔여 연마 손상 등을 제거하고 단차 및 단차 표면 구조를 생성해야 합니다. 그런 다음 기판 표면을 질화하여 에피택셜 층의 젖음 특성을 변경합니다. 마지막으로, 얇은 AlN 버퍼층(보통 10-100nm 두께)을 기판 표면에 증착하고 저온에서 어닐링하여 최종 에피택셜 성장을 준비해야 합니다. 그럼에도 불구하고 사파이어 기판 위에 성장한 GaN 에피택셜 필름의 전위 밀도는 호모에피택셜 필름의 전위 밀도(약 1010cm-2)보다 여전히 높습니다(약 1010cm-2). 이는 실리콘 호모에피택시 필름이나 갈륨 비소 호모에피택시 필름의 전위 밀도가 본질적으로 0인 것과 비교하여 102~104cm-2입니다. 2). 결함 밀도가 높을수록 캐리어 이동도가 감소하여 소수 캐리어 수명이 단축되고 열전도도가 감소하여 장치 성능이 저하됩니다[4].
✔ 사파이어의 열팽창 계수는 GaN의 열팽창 계수보다 크기 때문에 증착 온도에서 상온으로 냉각되는 과정에서 에피택셜 층에 이축 압축 응력이 생성됩니다. 두꺼운 에피택셜 필름의 경우 이러한 응력으로 인해 필름이나 기판에 균열이 발생할 수 있습니다.
✔ 다른 기판과 비교하여 사파이어 기판의 열전도율은 더 낮으며(100℃에서 약 0.25W*cm-1*K-1) 방열 성능도 좋지 않습니다.
✔ 사파이어 기판은 전도성이 낮기 때문에 다른 반도체 장치와의 통합 및 응용에 적합하지 않습니다.
사파이어 기판에 성장한 GaN 에피층의 결함 밀도는 높지만 GaN 기반 청녹색 LED의 광전자 성능을 크게 저하시키지는 않는 것으로 보이므로 사파이어 기판은 여전히 GaN 기반 LED용 기판으로 일반적으로 사용됩니다.
레이저 또는 기타 고밀도 전력 장치와 같은 GaN 장치의 새로운 응용 분야가 개발됨에 따라 사파이어 기판의 고유한 결함으로 인해 응용 분야가 점점 더 제한되고 있습니다. 또한, SiC 기판 성장 기술의 발전, 비용 절감, Si 기판의 GaN 에피택시 기술 성숙화로 인해 사파이어 기판에 GaN 에피택시층을 성장시키는 연구가 점차 냉각 추세를 보이고 있습니다.
SiC의 GaN 에피택시
사파이어와 비교하여 SiC 기판(4H 및 6H 결정)은 GaN 에피택셜 층(3.1%, [0001] 방향성 에피택셜 필름과 동일)과의 격자 불일치가 더 적고 열 전도성(약 3.8W*cm-1*K)이 더 높습니다. -1) 등. 또한, SiC 기판의 전도성 덕분에 기판 뒷면에서도 전기적 접촉이 가능해 장치 단순화에 도움이 됩니다. 구조. 이러한 장점의 존재로 인해 실리콘 카바이드 기판의 GaN 에피택시를 연구하는 연구자가 점점 더 많아지고 있습니다.
그러나 GaN 에피층 성장을 피하기 위해 SiC 기판에서 직접 작업하는 것도 다음과 같은 일련의 단점에 직면합니다.
✔ SiC 기판의 표면 거칠기는 사파이어 기판의 표면 거칠기(사파이어 거칠기 0.1nm RMS, SiC 거칠기 1nm RMS)보다 훨씬 높으며, SiC 기판은 경도가 높고 가공 성능이 좋지 않으며 이러한 거칠기와 잔류 연마 손상도 원인 중 하나입니다. GaN 에피층의 결함 원인.
✔ SiC 기판의 나사 전위 밀도는 높으며(전위 밀도 103-104cm-2), 나사 전위가 GaN 에피층으로 전파되어 장치 성능을 저하시킬 수 있습니다.
✔ 기판 표면의 원자 배열로 인해 GaN 에피층에 적층 결함(BSF)이 형성됩니다. SiC 기판의 에피택셜 GaN의 경우 기판에 여러 개의 원자 배열 순서가 있을 수 있으므로 에피택셜 GaN 층의 초기 원자 적층 순서가 일관되지 않아 적층 결함이 발생하기 쉽습니다. 적층 결함(SF)은 c축을 따라 내장된 전기장을 도입하여 평면 내 캐리어 분리 장치의 누출과 같은 문제를 야기합니다.
✔ SiC 기판의 열팽창 계수는 AlN 및 GaN의 열팽창 계수보다 작기 때문에 냉각 과정에서 에피택시층과 기판 사이에 열 응력이 축적됩니다. Waltereit와 Brand는 자신들의 연구 결과를 바탕으로 얇고 일관되게 변형된 AlN 핵 생성 층 위에 GaN 에피택셜 층을 성장시킴으로써 이 문제가 완화되거나 해결될 수 있다고 예측했습니다.
✔ Ga 원자의 젖음성이 좋지 않은 문제. SiC 표면에 직접 GaN 에피택셜 층을 성장시키는 경우 두 원자 사이의 젖음성이 좋지 않기 때문에 GaN은 기판 표면에서 3D 아일랜드 성장이 발생하기 쉽습니다. 버퍼층을 도입하는 것은 GaN 에피택시에서 에피택셜 재료의 품질을 향상시키기 위해 가장 일반적으로 사용되는 솔루션입니다. AlN 또는 AlxGa1-xN 버퍼층을 도입하면 SiC 표면의 습윤성을 효과적으로 개선하고 GaN 에피택셜층을 2차원으로 성장시킬 수 있습니다. 또한 스트레스를 조절하고 기판 결함이 GaN 에피택시로 확장되는 것을 방지할 수도 있습니다.
✔ SiC 기판 준비 기술이 미숙하고, 기판 가격이 높으며, 공급업체가 적고 공급이 적습니다.
Torres 등의 연구에 따르면 에피택시 전에 고온(1600°C)에서 H2로 SiC 기판을 에칭하면 기판 표면에 더 정돈된 계단 구조가 생성되어 직접 에칭할 때보다 더 높은 품질의 AlN 에피택셜 필름을 얻을 수 있음이 나타났습니다. 원래 기판 표면에서 성장했습니다. Xie와 그의 팀의 연구는 또한 탄화규소 기판의 에칭 전처리가 GaN 에피택셜 층의 표면 형태와 결정 품질을 크게 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. Smithet al. 기판/버퍼 층 및 버퍼 층/에피택셜 층 인터페이스에서 발생하는 스레딩 전위가 기판의 평탄도와 관련이 있음을 발견했습니다[5].
그림 4 다양한 표면 처리 조건 하에서 6H-SiC 기판(0001)에서 성장한 GaN 에피택셜 층 샘플의 TEM 형태 (a) 화학적 세정; (b) 화학적 세척 + 수소 플라즈마 처리; (c) 화학적 세정 + 수소 플라즈마 처리 + 1300℃ 수소 열처리 30분
Si의 GaN 에피택시
실리콘 카바이드, 사파이어 및 기타 기판과 비교하여 실리콘 기판 준비 공정은 성숙되어 있으며 높은 비용 성능을 갖춘 성숙한 대형 기판을 안정적으로 제공할 수 있습니다. 동시에 열전도율과 전기전도도가 좋고 Si 전자소자 공정이 성숙해졌습니다. 향후 광전자 GaN 장치를 Si 전자 장치와 완벽하게 통합할 수 있다는 가능성도 실리콘의 GaN 에피택시 성장을 매우 매력적으로 만듭니다.
그러나 Si 기판과 GaN 재료 사이의 격자 상수의 큰 차이로 인해 Si 기판에서 GaN의 이종 에피택시는 전형적인 큰 불일치 에피택시이며 일련의 문제에도 직면해야 합니다.
✔ 표면 인터페이스 에너지 문제. Si 기판에서 GaN을 성장시키는 경우, Si 기판의 표면을 먼저 질화하여 고밀도 GaN의 핵 생성 및 성장에 도움이 되지 않는 비정질 실리콘 질화물 층을 형성하게 됩니다. 또한, Si 표면은 먼저 Ga와 접촉하여 Si 기판의 표면을 부식시킵니다. 고온에서 Si 표면의 분해는 GaN 에피택셜 층으로 확산되어 검은색 실리콘 점을 형성합니다.
✔ GaN과 Si 사이의 격자 상수 불일치가 커서(~17%), 이는 고밀도 스레딩 전위를 형성하고 에피택셜 층의 품질을 크게 저하시킵니다.
✔ GaN은 Si에 비해 열팽창계수가 더 크며(GaN의 열팽창계수는 약 5.6×10-6K-1, Si의 열팽창계수는 약 2.6×10-6K-1), GaN에 크랙이 발생할 수 있습니다. 에피택셜 온도를 실온으로 냉각하는 동안 에피택셜층;
✔ Si는 고온에서 NH3와 반응하여 다결정 SiNx를 형성합니다. AlN은 다결정 SiNx에 우선적으로 배향된 핵을 형성할 수 없으며, 이로 인해 이후 성장된 GaN 층의 배향이 무질서해지고 결함 수가 많아 GaN 에피층의 결정 품질이 열악해지고 심지어 단결정 형성이 어려워집니다. GaN 에피택셜 층 [6].
큰 격자 불일치 문제를 해결하기 위해 연구자들은 Si 기판 위에 AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, SiC 등의 재료를 버퍼층으로 도입하려고 노력해 왔습니다. 다결정 SiNx의 형성을 방지하고 GaN/AlN/Si(111) 재료의 결정 품질에 대한 악영향을 줄이기 위해 일반적으로 AlN 버퍼층의 에피택셜 성장 전에 TAl을 일정 기간 동안 도입해야 합니다. NH3가 노출된 Si 표면과 반응하여 SiNx를 형성하는 것을 방지합니다. 또한, 패턴화된 기판 기술과 같은 에피택셜 기술을 사용하여 에피택셜층의 품질을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 기술의 개발은 에피택셜 계면에서 SiNx의 형성을 억제하고 GaN 에피택셜층의 2차원 성장을 촉진하며 에피택셜층의 성장 품질을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 또한, 실리콘 기판 위의 GaN 에피층에 크랙이 발생하는 것을 방지하기 위해 열팽창 계수의 차이로 인한 인장 응력을 보상하기 위해 AlN 버퍼층을 도입합니다. Krost의 연구는 AlN 버퍼층의 두께와 변형률 감소 사이에 양의 상관관계가 있음을 보여줍니다. 버퍼층 두께가 12nm에 도달하면 에피택셜층 균열 없이 적절한 성장 방식을 통해 실리콘 기판 위에 6μm보다 두꺼운 에피택셜층을 성장시킬 수 있습니다.
연구원들의 장기적인 노력 끝에 실리콘 기판에 성장한 GaN 에피택셜 층의 품질이 크게 향상되었으며 전계 효과 트랜지스터, 쇼트키 장벽 자외선 검출기, 청록색 LED 및 자외선 레이저와 같은 장치가 상당한 발전을 이루었습니다.
요약하자면, 일반적으로 사용되는 GaN 에피택시 기판은 모두 이종 에피택시이므로 격자 불일치 및 다양한 정도에 따른 열팽창 계수의 큰 차이와 같은 공통적인 문제에 직면합니다. 균질한 에피택셜 GaN 기판은 기술의 성숙도에 따라 제한되며 아직 기판이 대량 생산되지 않았습니다. 생산 비용이 높고 기판 크기가 작으며 기판 품질이 이상적이지 않습니다. 새로운 GaN 에피택셜 기판의 개발과 에피택셜 품질의 향상은 여전히 GaN 에피택셜 산업의 추가 발전을 제한하는 중요한 요소 중 하나입니다.
IV. GaN 에피택시를 위한 일반적인 방법
MOCVD(화학 기상 증착)
GaN 기판의 균일한 에피택시는 GaN 에피택시를 위한 최선의 선택인 것 같습니다. 그러나 화학 기상 증착의 전구체는 트리메틸갈륨과 암모니아이고 운반 가스는 수소이기 때문에 일반적인 MOCVD 성장 온도는 약 1000~1100℃이고 MOCVD의 성장 속도는 시간당 수 마이크론 정도입니다. 이는 원자 수준에서 가파른 경계면을 생성할 수 있으며, 이는 이종 접합, 양자 우물, 초격자 및 기타 구조 성장에 매우 적합합니다. 빠른 성장률, 우수한 균일성, 대면적 및 다중 조각 성장에 대한 적합성은 산업 생산에 자주 사용됩니다.
MBE(분자빔 에피택시)
분자선 에피택시에서 Ga는 원소 소스를 사용하며, RF 플라즈마를 통해 질소로부터 활성 질소를 얻습니다. MOCVD 방법에 비해 MBE 성장 온도는 약 350~400℃ 낮다. 낮은 성장 온도는 고온 환경으로 인해 발생할 수 있는 특정 오염을 피할 수 있습니다. MBE 시스템은 초고진공 하에서 작동하므로 더 많은 현장 감지 방법을 통합할 수 있습니다. 동시에 성장률과 생산 능력은 MOCVD와 비교할 수 없으며 과학 연구에 더 많이 사용됩니다 [7].
그림 5 (a) Eiko-MBE 개략도 (b) MBE 주 반응 챔버 개략도
HVPE 방식(수소화물 기상 에피택시)
수소화물 기상 에피택시 방법의 전구체는 GaCl3 및 NH3입니다. Detchprohmet al. 이 방법을 사용하여 사파이어 기판 표면에 수백 마이크론 두께의 GaN 에피택셜 층을 성장시켰습니다. 그들의 실험에서는 사파이어 기판과 에피택셜 층 사이에 버퍼층으로 ZnO 층을 성장시키고, 에피택셜 층을 기판 표면에서 벗겨냈다. MOCVD, MBE에 비해 HVPE 공법의 주요 특징은 성장 속도가 높아 두꺼운 층과 벌크 소재 생산에 적합하다는 점이다. 그러나, 에피택셜층의 두께가 20μm를 초과하는 경우, 이 방법으로 제조된 에피택셜층은 크랙이 발생하기 쉽다.
USUI 아키라는 이 방법을 바탕으로 패턴 기판 기술을 선보였습니다. 그들은 먼저 MOCVD 방법을 사용하여 사파이어 기판 위에 얇은 1-1.5μm 두께의 GaN 에피택셜 층을 성장시켰습니다. 에피택셜층은 저온 조건에서 성장한 20nm 두께의 GaN 버퍼층과 고온 조건에서 성장한 GaN층으로 구성되었습니다. 그런 다음 430℃에서 에피택셜 층 표면에 SiO2 층을 도금하고 포토리소그래피를 통해 SiO2 필름 위에 윈도우 스트라이프를 만들었습니다. 스트라이프 간격은 7μm이고 마스크 폭은 1μm에서 4μm 범위였습니다. 이러한 개선 후에 그들은 두께가 수십 또는 수백 마이크론으로 증가하더라도 균열이 없고 거울처럼 매끄러운 2인치 직경의 사파이어 기판 위에 GaN 에피택셜 층을 얻었습니다. 결함 밀도는 기존 HVPE 방법의 109~1010cm-2에서 약 6×107cm-2로 감소했습니다. 그들은 또한 실험에서 성장 속도가 75μm/h를 초과하면 샘플 표면이 거칠어질 것이라고 지적했습니다[8].
그림 6 그래픽 기판 회로도
V. 요약 및 전망
GaN 소재는 2014년 청색광 LED가 그 해 노벨 물리학상을 수상하면서 등장하기 시작했고, 가전제품 분야에서 대중의 급속 충전 응용 분야로 들어섰다. 실제로 대부분의 사람들이 볼 수 없는 5G 기지국에 사용되는 전력증폭기, RF 기기 등의 애플리케이션도 조용히 등장했다. 최근 몇 년 동안 GaN 기반 자동차 등급 전력 장치의 획기적인 발전으로 GaN 재료 애플리케이션 시장에 새로운 성장 포인트가 열릴 것으로 예상됩니다.
거대한 시장 수요는 확실히 GaN 관련 산업과 기술의 발전을 촉진할 것입니다. GaN 관련 산업 체인의 성숙과 개선으로 현재 GaN 에피택셜 기술이 직면한 문제는 결국 개선되거나 극복될 것입니다. 미래에 사람들은 더 많은 새로운 에피택셜 기술과 더 우수한 기판 옵션을 개발할 것입니다. 그때쯤이면 사람들은 응용 시나리오의 특성에 따라 다양한 응용 시나리오에 가장 적합한 외부 연구 기술과 기판을 선택하고 가장 경쟁력 있는 맞춤형 제품을 생산할 수 있을 것입니다.
게시 시간: 2024년 6월 28일