탄화규소(Silicon Carbide, SiC)는 고전압, 고주파 그리고 고온 전자 응용에 적합한 넓은 금지역대를 갖는 뛰어난 물성으로 인한 차세대 전력 반도체를 이끌어 나갈 유망한 재료 중의 하나이다. 현재까지는 실리콘(Si)이 전력 반도체 소재로써 보편적으로 사용되고 있으나 현대 사회의 급속한 발전으로 인하여 차세대 전력 반도체를 충족시키기에는 그 물성의 한계에 다다르고 있는 실정이다. 그에 따라 보다 우수한 물성을 가지는 SiC, ...
탄화규소(Silicon Carbide, SiC)는 고전압, 고주파 그리고 고온 전자 응용에 적합한 넓은 금지역대를 갖는 뛰어난 물성으로 인한 차세대 전력 반도체를 이끌어 나갈 유망한 재료 중의 하나이다. 현재까지는 실리콘(Si)이 전력 반도체 소재로써 보편적으로 사용되고 있으나 현대 사회의 급속한 발전으로 인하여 차세대 전력 반도체를 충족시키기에는 그 물성의 한계에 다다르고 있는 실정이다. 그에 따라 보다 우수한 물성을 가지는 SiC, GaN 등의 와이드 밴드갭 소재가 주목받고 있다. 특히, 4H-SiC의 결정 다형이 다른 SiC 다형들 보다 높은 밴드갭, 높은 절연파괴전압 등으로 인해 파워 소자 제조에 선호된다. 오늘날, SiC 단결정을 성장시키는 주된 방법으로는 직경 확장과 고속 성장이 가능하여 양산에 적합한 PVT법이 사용된다. 하지만 30년 넘은 연구 진행에도 불구하고 기상 수송법 고유의 성장법 한계로 인하여 킬러 결함이라고 불리는 관통 나선 전위, 기저면 전위 등을 결정 내부에서 제거하는 것에 어려움을 겪고 있다. 이로 인하여, 최근에는 열적 평형에 가까운 상 태에서 공정이 실시되어 고품질의 SiC 단결정을 얻을 수 있다고 알려져 있는 용액 성장법이 관심을 받고 있다. 하지만 용액 성장법에 관한 연구 개발이 아직 초기 단계로 진행되기 때문에 성장 도중 결정 내부로의 용매 혼입, 도가니 내벽의 다결정 형성, 열린계(Open system)로 인한 공정 분위기의 지속적인 변화 등으로 인해 공정 조건의 최적화에 어려운 문제점이 있다. 본 연구에서는 용액 성장법의 일종인 상부종자 용액성장법으로 4H-SiC 단결정 성장 시 전산모사를 통해 공정 조건을 최적화시킨 후, 변경된 도가니를 사용하여 도가니 내부의 유체 흐름과 탄소 농도를 증가시킴으로써 고품질의 SiC 단결정 제작을 목적으로 실시하였다. 성장실험은 총 네 차례 실시되었으며 사용된 용액 조성으로는 Si: Cr: Al = 60: 39: 1(at%)로 동일하고 1900℃의 온도, 715 torr의 압력 하에 Ar 가스 분위기에서 공정이 실시되었으며 각각 실험의 목적에 따라 몇몇 조건들은 변화를 주었다. 또한 전산모사를 이용하여 온도 구배, 유체 흐름, 탄소 농도 분포를 알아보는데 사용하였다. 각각 실험에서 성장된 결정을 자체적으로 가공하여 Wafering을 실시한 후, 결정성과 Polytypes를 확인하기 위하여 UVF 측정과 Raman 산란 분석을 실시하였다. 또한, 성장률과 결정 내부의 용매 혼입 및 결함을 관찰하기 위하여 광학 현미경을 사용하였으며, 성장 후 도가니 내부의 용액에 대한 정성 분석을 위하여 SEM-EDS 분석을 실시하였다. 전산모사를 통한 공정 최적화 전과 후에 성장시킨 SiC 단결정을 각각 비교 분석하였고 일반도가니를 사용하여 성장시킨 결정과 변경된 구조를 가지는 도가니에서 성장시킨 결정을 비교 분석하였다. 결과적으로, 공정 최적화 전에는 다결정으로 성장하는 반면에, 공정 최적화를 시킨 후 성장시킨 샘플에서는 단결정이 안정적으로 성장되었고 변경된 도가니를 사용하여 성장시킨 4H-SiC 단결정이 일반 도가니를 사용한 것보다 결정 품질이 우수하였으며 결정 다형 또한 더욱 안정화되었다.
탄화규소(Silicon Carbide, SiC)는 고전압, 고주파 그리고 고온 전자 응용에 적합한 넓은 금지역대를 갖는 뛰어난 물성으로 인한 차세대 전력 반도체를 이끌어 나갈 유망한 재료 중의 하나이다. 현재까지는 실리콘(Si)이 전력 반도체 소재로써 보편적으로 사용되고 있으나 현대 사회의 급속한 발전으로 인하여 차세대 전력 반도체를 충족시키기에는 그 물성의 한계에 다다르고 있는 실정이다. 그에 따라 보다 우수한 물성을 가지는 SiC, GaN 등의 와이드 밴드갭 소재가 주목받고 있다. 특히, 4H-SiC의 결정 다형이 다른 SiC 다형들 보다 높은 밴드갭, 높은 절연파괴전압 등으로 인해 파워 소자 제조에 선호된다. 오늘날, SiC 단결정을 성장시키는 주된 방법으로는 직경 확장과 고속 성장이 가능하여 양산에 적합한 PVT법이 사용된다. 하지만 30년 넘은 연구 진행에도 불구하고 기상 수송법 고유의 성장법 한계로 인하여 킬러 결함이라고 불리는 관통 나선 전위, 기저면 전위 등을 결정 내부에서 제거하는 것에 어려움을 겪고 있다. 이로 인하여, 최근에는 열적 평형에 가까운 상 태에서 공정이 실시되어 고품질의 SiC 단결정을 얻을 수 있다고 알려져 있는 용액 성장법이 관심을 받고 있다. 하지만 용액 성장법에 관한 연구 개발이 아직 초기 단계로 진행되기 때문에 성장 도중 결정 내부로의 용매 혼입, 도가니 내벽의 다결정 형성, 열린계(Open system)로 인한 공정 분위기의 지속적인 변화 등으로 인해 공정 조건의 최적화에 어려운 문제점이 있다. 본 연구에서는 용액 성장법의 일종인 상부종자 용액성장법으로 4H-SiC 단결정 성장 시 전산모사를 통해 공정 조건을 최적화시킨 후, 변경된 도가니를 사용하여 도가니 내부의 유체 흐름과 탄소 농도를 증가시킴으로써 고품질의 SiC 단결정 제작을 목적으로 실시하였다. 성장실험은 총 네 차례 실시되었으며 사용된 용액 조성으로는 Si: Cr: Al = 60: 39: 1(at%)로 동일하고 1900℃의 온도, 715 torr의 압력 하에 Ar 가스 분위기에서 공정이 실시되었으며 각각 실험의 목적에 따라 몇몇 조건들은 변화를 주었다. 또한 전산모사를 이용하여 온도 구배, 유체 흐름, 탄소 농도 분포를 알아보는데 사용하였다. 각각 실험에서 성장된 결정을 자체적으로 가공하여 Wafering을 실시한 후, 결정성과 Polytypes를 확인하기 위하여 UVF 측정과 Raman 산란 분석을 실시하였다. 또한, 성장률과 결정 내부의 용매 혼입 및 결함을 관찰하기 위하여 광학 현미경을 사용하였으며, 성장 후 도가니 내부의 용액에 대한 정성 분석을 위하여 SEM-EDS 분석을 실시하였다. 전산모사를 통한 공정 최적화 전과 후에 성장시킨 SiC 단결정을 각각 비교 분석하였고 일반도가니를 사용하여 성장시킨 결정과 변경된 구조를 가지는 도가니에서 성장시킨 결정을 비교 분석하였다. 결과적으로, 공정 최적화 전에는 다결정으로 성장하는 반면에, 공정 최적화를 시킨 후 성장시킨 샘플에서는 단결정이 안정적으로 성장되었고 변경된 도가니를 사용하여 성장시킨 4H-SiC 단결정이 일반 도가니를 사용한 것보다 결정 품질이 우수하였으며 결정 다형 또한 더욱 안정화되었다.
Silicon carbide(SiC) is a promising material because of excellent physical properties with wide band gap suitable for high-power, high-frequency and high-temperature electronic applications. Especially, 4H-SiC is more applied to power device than those of other SiC polytype due to having the higher ...
Silicon carbide(SiC) is a promising material because of excellent physical properties with wide band gap suitable for high-power, high-frequency and high-temperature electronic applications. Especially, 4H-SiC is more applied to power device than those of other SiC polytype due to having the higher band-gap, breakdown voltage and carrier mobility. To date, the commercial SiC wafers have been produced by a physical vapor transport(PVT) method because it is possible to yield a large diameter and high growth rate. However, SiC crystals grown by PVT still have many dislocations such as threading edge dislocations(TEDs), basal plane dislocations(BPDs) and threading screw dislocation(TSDs) which have a bad influence on the SiC power devices. Solution growth is a powerful method for obtaining high quality SiC crystal because the condition of crystal growth proceeds under close to thermal equilibrium. Harada et al. reported that TSD and TED densities could be drastically reduced during the solution growth of SiC. However, until now, compared to PVT method, the solution growth has lower growth rate and quality crystal because it is not optimized condition of process. So, in order to enhance the crystal quality and growth rate, it is important to increase the carbon solubility in the silicon melt and carbon concentration transfer to seed crystal front. These parameters can be controlled by fluid flow in the melt. Also, there has reported that crucible design plays a very important role in convection control. Hence, we studied so as to make a high quality 4H-SiC single crystal through improvement of the fluid flow and the carbon concentration inside crucible by changing the structure of Hot-zone and crucible shape in TSSG method. Experiment is total executed four times. SiC seed crystal was located on the bottom end of graphite shaft. The high purity Si, Cr and Al were melted in a graphite crucible and the solvent composition was Si: Cr: Al= 60: 39: 1(at%). The growth was carried out at 1900℃under the Ar gas at 715torr. The numerical simulation using a Crystal Growth Simulator (CGSimTM, STR Group Ltd, Russia) was carried out in order to get key aspects such as temperature distribution, solution flow and direction of carbon diffusion and so on. After experiment, grown crystal was polished using our processing machine. Subsequently, we confirmed the crystal quality and polytypes by Raman spectroscopy and UVF measurement. In order to observe the growth rate, solvent inclusion and defects inside crystal, OM was used. Also, solidified solvent inside the crucible after experiment was conducted to qualitative analysis by SEM and EDS. As a result, we confirmed to be improved the 4H-SiC quality to arise from optimized process condition by changed the graphite crucible design and the Hot-zone structure.
Silicon carbide(SiC) is a promising material because of excellent physical properties with wide band gap suitable for high-power, high-frequency and high-temperature electronic applications. Especially, 4H-SiC is more applied to power device than those of other SiC polytype due to having the higher band-gap, breakdown voltage and carrier mobility. To date, the commercial SiC wafers have been produced by a physical vapor transport(PVT) method because it is possible to yield a large diameter and high growth rate. However, SiC crystals grown by PVT still have many dislocations such as threading edge dislocations(TEDs), basal plane dislocations(BPDs) and threading screw dislocation(TSDs) which have a bad influence on the SiC power devices. Solution growth is a powerful method for obtaining high quality SiC crystal because the condition of crystal growth proceeds under close to thermal equilibrium. Harada et al. reported that TSD and TED densities could be drastically reduced during the solution growth of SiC. However, until now, compared to PVT method, the solution growth has lower growth rate and quality crystal because it is not optimized condition of process. So, in order to enhance the crystal quality and growth rate, it is important to increase the carbon solubility in the silicon melt and carbon concentration transfer to seed crystal front. These parameters can be controlled by fluid flow in the melt. Also, there has reported that crucible design plays a very important role in convection control. Hence, we studied so as to make a high quality 4H-SiC single crystal through improvement of the fluid flow and the carbon concentration inside crucible by changing the structure of Hot-zone and crucible shape in TSSG method. Experiment is total executed four times. SiC seed crystal was located on the bottom end of graphite shaft. The high purity Si, Cr and Al were melted in a graphite crucible and the solvent composition was Si: Cr: Al= 60: 39: 1(at%). The growth was carried out at 1900℃under the Ar gas at 715torr. The numerical simulation using a Crystal Growth Simulator (CGSimTM, STR Group Ltd, Russia) was carried out in order to get key aspects such as temperature distribution, solution flow and direction of carbon diffusion and so on. After experiment, grown crystal was polished using our processing machine. Subsequently, we confirmed the crystal quality and polytypes by Raman spectroscopy and UVF measurement. In order to observe the growth rate, solvent inclusion and defects inside crystal, OM was used. Also, solidified solvent inside the crucible after experiment was conducted to qualitative analysis by SEM and EDS. As a result, we confirmed to be improved the 4H-SiC quality to arise from optimized process condition by changed the graphite crucible design and the Hot-zone structure.
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