[논문]다공성 흑연 소재를 이용한 바나듐 도핑된 반절연 SiC 단결정 성장의 특성 연구

이동훈; 김황주; 김영곤; 최수훈; 박미선; 장연숙; 이원재; 정광희; 김태희; 최이식

doi:10.6111/jkcgct.2016.26.6.215

다공성 흑연 소재를 이용한 바나듐 도핑된 반절연 SiC 단결정 성장의 특성 연구
Vanadium-doped semi-insulating SiC single crystal growth by using porous graphite 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.26 no.6, 2016년, pp.215 - 219

이동훈 (동의대학교 신소재공학과) , 김황주 (동의대학교 신소재공학과) , 김영곤 (동의대학교 신소재공학과) , 최수훈 (동의대학교 신소재공학과) , 박미선 (동의대학교 신소재공학과) , 장연숙 (동의대학교 신소재공학과) , 이원재 (동의대학교 신소재공학과) , 정광희 (사파이어테크놀로지) , 김태희 (사파이어테크놀로지) , 최이식 (사파이어테크놀로지)

초록
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본 연구에서는 다공성 흑연 캡슐에 Vanadium carbide(VC) 분말을 채워 성장시킨 방법과 SiC 분말과 VC 분말을 혼합하여 다공성 흑연판을 그 위에 덮은 후 성장시키는 방법으로 진행하였으며, 성장된 결정들은 여러 분석방법을 사용하여 각각의 특성들을 관찰하였다. 반절연 SiC 성장은 6H-SiC 종자 결정을 사용하여 PVT(Physical Vapor Transport)법으로 성장을 진행하였다. 반절연으로 성장된 SiC 결정은 XRD를 이용하여 6H-SiC인 것을 확인하였으며, SIMS 분석결과 바나듐 도핑 농도가 바나듐 용해의 한계값 보다 높을 경우 석출물이 발생되며, 결정 품질 저하의 원인이 됨을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Vanadium-doped SiC crystals have been grown by using a porous graphite inner crucible filled with vanadium carbide (VC) and by using a porous graphite plate and SiC + VC powders, respectively. Semi-insulating SiC crystals were grown onto the 6H-SiC seed crystals by PVT (Physical Vapor Transport) method. The grown crystals were indicated to be 6H-SiC polytype by XRD. As result of SIMS analysis, vanadium-rich precipitates were observed when the vanadium concentration was relatively higher than the maximum solubility of vanadium ($3-5{\times}10^{17}cm^{-3}$) in vanadium-doped SiC crystals, which resulted in degradation of crystal quality.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

SiC 단결정 성장 시 다공성 흑연 재료를 사용하여 품질 개선을 위해 연구된 바 있다[5]. 따라서 본 연구에서는 PVT법을 이용한 바나듐 도핑 반절연 SiC 결정 성장 시 다공성 흑연 구조물이 결정성장에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고자 한다. ;

제안 방법

본 연구에서는 다공성 흑연 캡슐(방법 A)의 이용과 다공성 흑연 판(방법 B)을 이용하여 바나듐이 도핑된 반절연 특성을 갖는 SiC의 결정성장 후의 특성들을 관찰하였다. 두 방법으로 성장된 결정들은 6H-SiC polytype으로 성장되었으며, 방법 A의 경우 바나듐 농도가 바나듐 최대 용해도보다 높아 많은 양의 바나듐 석출물이 관찰되었고, 이러한 석출물로 인하여 결정의 품질에 영향을 미침을 rocking curve 값을 통해 확인할 수 있었다.

대상 데이터

고저항의 바나듐이 도핑된 SiC 결정을 얻기 위해 VC(Vanadium carbide) 분말을 사용하여 성장시켰다. 이를 위해 사용된 다공성 흑연 캡슐 및 흑연판의 재질은 Morgan Korea 사의 PG -45(Porosity 50%)이며, 다공성 흑연 캡슐은 직경 30 mm, 높이는 25 mm이며, 다공성 흑연 판은 직경 65mm, 두께 4mm로 제작되었다. Fig.

이론/모형

이러한 결과로, 표면에 존재하는 검은점들은 바나듐 석출물로 SiC 결정 내에 바나듐의 농도가 용해 한계값 3~5 × 10¹⁷ cm⁻³보다 높아 석출됨을 추측할 수 있다[7]. 자세한 바나듐 농도 및 다른 불순물의 함량을 알아보기 위해 SIMS 분석을 실시하였다. Table 1은 성장된 SiC 결정의 SIMS 분석 결과이다.

성능/효과

두 방법으로 성장된 결정들은 6H-SiC polytype으로 성장되었으며, 방법 A의 경우 바나듐 농도가 바나듐 최대 용해도보다 높아 많은 양의 바나듐 석출물이 관찰되었고, 이러한 석출물로 인하여 결정의 품질에 영향을 미침을 rocking curve 값을 통해 확인할 수 있었다. 다공성 흑연 판을 사용하여 성장된 방법 B의 경우에서는, 이전 연구 결과와 같이 다공성 흑연 판이 바나듐과 SiC의 파우더를 균일하게 승화시키며 filter와 같은 역할을 통해 결정 품질에 도움을 주는 역할을 함을 보여주는 결과라 할 수 있다. 이를 증명하기 위해서 앞으로 더 많은 연구를 진행할 계획이다.
본 연구에서는 다공성 흑연 캡슐(방법 A)의 이용과 다공성 흑연 판(방법 B)을 이용하여 바나듐이 도핑된 반절연 특성을 갖는 SiC의 결정성장 후의 특성들을 관찰하였다. 두 방법으로 성장된 결정들은 6H-SiC polytype으로 성장되었으며, 방법 A의 경우 바나듐 농도가 바나듐 최대 용해도보다 높아 많은 양의 바나듐 석출물이 관찰되었고, 이러한 석출물로 인하여 결정의 품질에 영향을 미침을 rocking curve 값을 통해 확인할 수 있었다. 다공성 흑연 판을 사용하여 성장된 방법 B의 경우에서는, 이전 연구 결과와 같이 다공성 흑연 판이 바나듐과 SiC의 파우더를 균일하게 승화시키며 filter와 같은 역할을 통해 결정 품질에 도움을 주는 역할을 함을 보여주는 결과라 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반절 연성 탄화규소 단결정은 어떤 특성으로 어떤 소재에 매력적인가?	현재 실리콘 기반 디바이스의 성능한계로 인해 다양한와이드 밴드갭 재료들이 개발되고 있다. 그 중에서 반절 연성 탄화규소(Semi Insulating-Silicon carbide, SI-SiC) 단결정은 높은 에너지 밴드갭, 전기적특성, 열특성이 우수하며, 이러한 특성으로 인해 GaN 기반 고온, 고출력,고주파 등의 디바이스 제작용 기판으로 매력적인 소재이다. 반절연 SiC 단결정을 얻기 위해서는 SiC 단결정에 바나듐(Vanadium, V) 도핑 또는 잔류 불순물 및 고유결함을 최소화하여 고저항(High purity semi-insulating,HPSI)의 전기적 특성을 얻을 수 있다[1-3].
	고저항의 바나듐이 도핑된 SiC 결정을 VC(Vanadium carbide) 분말을 사용하여 성장시킬 때의 다공성 흑연 캡슐 및 흑연판의 재질은 어떻게 제작되었는가?	고저항의 바나듐이 도핑된 SiC 결정을 얻기 위해 VC(Vanadium carbide) 분말을 사용하여 성장시켰다. 이를 위해 사용된 다공성 흑연 캡슐 및 흑연판의 재질은 Morgan Korea사의 PG-45(Porosity 50 %)이며, 다공성 흑연 캡슐은 직경 30 mm, 높이는 25 mm이며, 다공성 흑연판은 직경 65 mm, 두께 4 mm로 제작되었다. Fig.
	반절연 SiC 단결정을 얻기 위해서 무엇을 도핑하였는가?	그 중에서 반절 연성 탄화규소(Semi Insulating-Silicon carbide, SI-SiC) 단결정은 높은 에너지 밴드갭, 전기적특성, 열특성이 우수하며, 이러한 특성으로 인해 GaN 기반 고온, 고출력,고주파 등의 디바이스 제작용 기판으로 매력적인 소재이다. 반절연 SiC 단결정을 얻기 위해서는 SiC 단결정에 바나듐(Vanadium, V) 도핑 또는 잔류 불순물 및 고유결함을 최소화하여 고저항(High purity semi-insulating,HPSI)의 전기적 특성을 얻을 수 있다[1-3]. 바나듐을 도핑할 경우 SiC 결정 내에서 바나듐은 중성 원자로 존재하며, 어떠한 Shallow 불순물이 백그라운드에서 지배적인지에 따라 전기적 보상을 위해 바나듐은 deep donor 또는 deep acceptor로 작용할 수 있다[4].

참고문헌 (8)

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H.J. Lee, H.T. Lee, H.W. Shin, M.S. Park, Y.S. Jang, W.J. Lee, I.G. Yeo, T.H. Eun, J.Y. Kim, M.C. Chun, S.H. Lee and J.G. Kim, "Effect of porous graphite for high quality SiC crystal growth by PVT method", Mater. Sci. Forum 821-823 (2015) 43.

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