탄화규소(SiC)는 뛰어난 물리적 특징을 가진 재료로 가장 매력적이고 유망한 전력반도체 물질 중 하나이다. 현재 SiC(탄화규소)결정을 성장시키기 위한 방법으로 물리적 기상 수송법(Physical Vapor Transport)을 많이 사용하고 있다. SiC에서 Si-C 원자간 거리가 0.189nm으로 짧고, 에너지 밴드갭, ...
탄화규소(SiC)는 뛰어난 물리적 특징을 가진 재료로 가장 매력적이고 유망한 전력반도체 물질 중 하나이다. 현재 SiC(탄화규소)결정을 성장시키기 위한 방법으로 물리적 기상 수송법(Physical Vapor Transport)을 많이 사용하고 있다. SiC에서 Si-C 원자간 거리가 0.189nm으로 짧고, 에너지 밴드갭, 절연파괴 전계나 포논 에너지가 큰 값을 나타낸다. 또, 모든 SiC 폴리타입은 Si처럼 간접천이형의 밴드구조를 가진다. 또한, SiC는 200종류 이상의 결정다형이 보고되고 있지만, 그 중 주요한 다형은 3C, 4H, 6H, 15R 정도이며, 고온 안전성을 가지는 4H, 6H-SiC와 저온 안전성을 가지는 3C-SiC가 통상적으로 많이 사용된다. 이들은 각 결정다형에서 에너지 밴드갭 뿐만 아니라 이동도나 불순물 준위 등의 물성이 전혀 다르게 나타남으로 소자 응용 연구에 넓은 선택성을 부여 하고 있다. 특히 4H-SiC는 높은 전자 이동성과 넓은 밴드갭 특징으로 파워소자 장치 제조에 선호되는 결정다형이다. 이러한 결정다형들은 결정 성장 시 압력, 온도 등의 여러 가지 문제로 인해 재현성의 구현이 어려우며, 4H-SiC의 경우 6H-SiC와 비슷한 온도대의 고온 안정성을 가지고 있기 때문에 6H-SiC에 비해 비교적 결정 성장이 어렵다. 그러나 6H-SiC의 경우 4H-SiC보다 비교적 높은 온도 영역에서 6H-SiC 단결정 성장을 시키기 쉽지만 비교적 온도영역대가 비슷한 4H-SiC 단결정을 성장을 할 때에는 여러 가지 SiC 다형의 혼입 등으로 결정다형 제어가 힘들다. 이러한 다형 혼입이 발생하면 다형간의 계면이 발생하게 되고 이 계면 주위에 여러 가지 결함들이 많이 생성되고 추후, 반도체 소자로 응용 시 악영향을 미친다. 그래서 좋은 소자 개발을 위하여 단결정 기판 제작 시 SiC 다형 혼입을 억제하여야 한다. 최근 4H-SiC 결정 성장에 있어 SiC의 종자정의 (000-1)면에서 4H-SiC 결정 성장이 쉽게 나타난다고 보고되어지고 있다. 이러한 연구들은 6H-SiC에서 4H-SiC로의 결정 다형변화와 4H-SiC 결정 다형의 안정화 내용을 포함하고 있다. 본 연구에서는 전력소자의 재료가 되는 4H-SiC 단결정 위하여 단결정 성장 시 결함 발생과 결정다형의 혼입을 억제하여 고품질의 4H-SiC 기판 제작을 목적으로 연구를 진행하였다. SiC 소스 물질은 그라파이트 도가니에 넣고 도가니 주위를 그라파이트 단열재로 쌓는 구조로 단열을 하였다. 성장온도는 2000 ~ 2100℃, 성장 압력은 20~50mbar의 압력으로 아르곤과 질소 분위기에서 성장시켰다. 종자정은 2인치 On-axis 4H-SiC C면을 사용하였다. 성장 공정은 기존의 최적화 되어있는 6H-SiC 단결정 성장 조건을 조절하여 최적화된 4H-SiC 결정성장 조건을 찾고 도가니 물성을 변화하여 4H-SiC 결정질 향상에 관하여 연구하였다. 실험으로 얻어진 각각의 4H-SiC 잉곳들은 성장면에 평행하게 절단하여 자체적인 Wafering 공정을 통하여 웨이퍼(Wafer)형태로 제작 하였고, 보다 광범위한 분석을 위해 형광현미경(OM), 주사전자 현미경(SEM), X-선회절기(XRD), 흡수/투과 분광계(UV/VR/NIR), 홀 효과 측정(Hall effect), PL(Photoluminescence)분석을 하여 형태학적(Morphological), 구조적(Structural), 광학적(Optical), 전기적(Electrical) 특성 분석을 실시하였다. 4H-SiC의 종자정을 이용하여 SiC 잉곳을 성장시킨 것과 도가니 내부와 외부를 SiC로 코팅하여 성장 시킨 잉곳과 Ta foil을 사용해 성장시킨 잉곳을 서로 비교하여 도가니 물성 변화에 따른 단결정 잉곳의 품질을 비교 분석하였다. 성장 된 4H-SiC 단결정의 결함 개수와 다형 안정화를 비교하였을 때, 기존의 그라파이트 도가니를 사용해 성장시킨 단결정 보다 물성의 변화를 주어 성장시킨 단결정의 품질이 더 좋은 것을 알 수 있었다. 또한, 도가니 물성 변화에 따른 도가니의 발열량도 차이가 있었으며, 카본 게터의 역할에 의한 단결정 품질 향상과 성장 시 발생하는 흑연화 현상을 방지해 결함의 갯수 또한 줄어드는 것을 확인 할 수 있었다.
탄화규소(SiC)는 뛰어난 물리적 특징을 가진 재료로 가장 매력적이고 유망한 전력반도체 물질 중 하나이다. 현재 SiC(탄화규소)결정을 성장시키기 위한 방법으로 물리적 기상 수송법(Physical Vapor Transport)을 많이 사용하고 있다. SiC에서 Si-C 원자간 거리가 0.189nm으로 짧고, 에너지 밴드갭, 절연파괴 전계나 포논 에너지가 큰 값을 나타낸다. 또, 모든 SiC 폴리타입은 Si처럼 간접천이형의 밴드구조를 가진다. 또한, SiC는 200종류 이상의 결정다형이 보고되고 있지만, 그 중 주요한 다형은 3C, 4H, 6H, 15R 정도이며, 고온 안전성을 가지는 4H, 6H-SiC와 저온 안전성을 가지는 3C-SiC가 통상적으로 많이 사용된다. 이들은 각 결정다형에서 에너지 밴드갭 뿐만 아니라 이동도나 불순물 준위 등의 물성이 전혀 다르게 나타남으로 소자 응용 연구에 넓은 선택성을 부여 하고 있다. 특히 4H-SiC는 높은 전자 이동성과 넓은 밴드갭 특징으로 파워소자 장치 제조에 선호되는 결정다형이다. 이러한 결정다형들은 결정 성장 시 압력, 온도 등의 여러 가지 문제로 인해 재현성의 구현이 어려우며, 4H-SiC의 경우 6H-SiC와 비슷한 온도대의 고온 안정성을 가지고 있기 때문에 6H-SiC에 비해 비교적 결정 성장이 어렵다. 그러나 6H-SiC의 경우 4H-SiC보다 비교적 높은 온도 영역에서 6H-SiC 단결정 성장을 시키기 쉽지만 비교적 온도영역대가 비슷한 4H-SiC 단결정을 성장을 할 때에는 여러 가지 SiC 다형의 혼입 등으로 결정다형 제어가 힘들다. 이러한 다형 혼입이 발생하면 다형간의 계면이 발생하게 되고 이 계면 주위에 여러 가지 결함들이 많이 생성되고 추후, 반도체 소자로 응용 시 악영향을 미친다. 그래서 좋은 소자 개발을 위하여 단결정 기판 제작 시 SiC 다형 혼입을 억제하여야 한다. 최근 4H-SiC 결정 성장에 있어 SiC의 종자정의 (000-1)면에서 4H-SiC 결정 성장이 쉽게 나타난다고 보고되어지고 있다. 이러한 연구들은 6H-SiC에서 4H-SiC로의 결정 다형변화와 4H-SiC 결정 다형의 안정화 내용을 포함하고 있다. 본 연구에서는 전력소자의 재료가 되는 4H-SiC 단결정 위하여 단결정 성장 시 결함 발생과 결정다형의 혼입을 억제하여 고품질의 4H-SiC 기판 제작을 목적으로 연구를 진행하였다. SiC 소스 물질은 그라파이트 도가니에 넣고 도가니 주위를 그라파이트 단열재로 쌓는 구조로 단열을 하였다. 성장온도는 2000 ~ 2100℃, 성장 압력은 20~50mbar의 압력으로 아르곤과 질소 분위기에서 성장시켰다. 종자정은 2인치 On-axis 4H-SiC C면을 사용하였다. 성장 공정은 기존의 최적화 되어있는 6H-SiC 단결정 성장 조건을 조절하여 최적화된 4H-SiC 결정성장 조건을 찾고 도가니 물성을 변화하여 4H-SiC 결정질 향상에 관하여 연구하였다. 실험으로 얻어진 각각의 4H-SiC 잉곳들은 성장면에 평행하게 절단하여 자체적인 Wafering 공정을 통하여 웨이퍼(Wafer)형태로 제작 하였고, 보다 광범위한 분석을 위해 형광현미경(OM), 주사전자 현미경(SEM), X-선회절기(XRD), 흡수/투과 분광계(UV/VR/NIR), 홀 효과 측정(Hall effect), PL(Photoluminescence)분석을 하여 형태학적(Morphological), 구조적(Structural), 광학적(Optical), 전기적(Electrical) 특성 분석을 실시하였다. 4H-SiC의 종자정을 이용하여 SiC 잉곳을 성장시킨 것과 도가니 내부와 외부를 SiC로 코팅하여 성장 시킨 잉곳과 Ta foil을 사용해 성장시킨 잉곳을 서로 비교하여 도가니 물성 변화에 따른 단결정 잉곳의 품질을 비교 분석하였다. 성장 된 4H-SiC 단결정의 결함 개수와 다형 안정화를 비교하였을 때, 기존의 그라파이트 도가니를 사용해 성장시킨 단결정 보다 물성의 변화를 주어 성장시킨 단결정의 품질이 더 좋은 것을 알 수 있었다. 또한, 도가니 물성 변화에 따른 도가니의 발열량도 차이가 있었으며, 카본 게터의 역할에 의한 단결정 품질 향상과 성장 시 발생하는 흑연화 현상을 방지해 결함의 갯수 또한 줄어드는 것을 확인 할 수 있었다.
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