[논문]고효율 파워 반도체 소자를 위한 Mg-doped AlN 에피층의 HVPE 성장

배숭근; 전인준; 양민; 이삼녕; 안형수; 전헌수; 김경화; 김석환

doi:10.6111/jkcgct.2017.27.6.275

고효율 파워 반도체 소자를 위한 Mg-doped AlN 에피층의 HVPE 성장
HVPE growth of Mg-doped AlN epilayers for high-performance power-semiconductor devices 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.27 no.6, 2017년, pp.275 - 281

배숭근 (한국해양대학교 전자소재공학과) , 전인준 (한국해양대학교 전자소재공학과) , 양민 (한국해양대학교 전자소재공학과) , 이삼녕 (한국해양대학교 전자소재공학과) , 안형수 (한국해양대학교 전자소재공학과) , 전헌수 (한국해양대학교 전자소재공학과) , 김경화 (한국해양대학교 전자소재공학과) , 김석환 (안동대학교 물리학과)

초록
AI-Helper

AlN는 넓은 밴드 갭 및 높은 열전도율로 인해 넓은 밴드 갭 및 고주파 전자 소자로 유망한 재료이다. AlN은 전력 반도체의 재료로서 더 큰 항복전압과 고전압에서의 더 작은 특성저항의 장점을 가지고 있다. 높은 전도도를 갖는 p형 AlN 에피층의 성장은 AlN 기반 응용 제품 제조에 중요하다. 본 논문에서는 Mg이 도핑된 AlN 에피층을 혼합 소스 HVPE에 의해 성장하였다. Al 및 Mg 혼합 금속은 Mg-doped AlN 에피 층의 성장을 위한 소스 물질로 사용하였다. AlN 내의 Mg 농도는 혼합 소스에서 Mg 첨가 질량의 양을 조절함으로써 제어되었다. 다양한 Mg 농도를 갖는 AlN 에피 층의 표면 형태 및 결정 구조는 FE-SEM 및 HR-XRD에 의해 조사하였다. Mg-doped AlN 에피 층의 XPS 스펙트럼으로 부터 혼합 소스 HVPE에 의해 Mg을 AlN 에피 층에 도핑할 수 있음을 증명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

AlN is a promising material for wide band gap and high-frequency electronics device due to its wide bandgap and high thermal conductivity. AlN has advantages as materials for power semiconductors with a larger breakdown field, and a smaller specific on-resistance at high voltage. The growth of a p-type AlN epilayer with high conductivity is important for a manufacturing an AlN-based applications. In this paper, Mg doped AlN epilayers were grown by a mixed-source HVPE. Al and Mg mixture were used as source materials for the growth of Mg-doped AlN epilayers. Mg concentration in the AlN was controlled by modulating the quantity of Mg source in the mixed-source. Surface morphology and crystalline structure of AlN epilayers with different Mg concentrations were characterized by FE-SEM and HR-XRD. XPS spectra of the Mg-doped AlN epilayers demonstrated that Mg was doped successfully into the AlN epilayer by the mixed-source HVPE.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 Mg이 도핑된 AlN 에피층을 성장하기 위해서 Al과 Mg을 하나의 공간에 혼합하여 사용하였고, 일정한 AlN 성장 원료에 Mg 금속의 혼합되는 질량을 조절하여 도핑 농도를 조절할 수 있게 하였다. Al과 Mg 을 혼합한 소스를 사용한 HVPE 방법으로 AlN 성장과 Mg 도핑이 가능한지 확인하고, 첨가하는 Mg 금속의 질량을 조절하여 에피층의 Mg 조성 변화와 구조적인 특성의 변화를 여러가지 측정을 통하여 알아보았다.

제안 방법

본 논문에서는 Mg이 도핑된 AlN 에피층을 성장하기 위해서 Al과 Mg을 하나의 공간에 혼합하여 사용하였고, 일정한 AlN 성장 원료에 Mg 금속의 혼합되는 질량을 조절하여 도핑 농도를 조절할 수 있게 하였다. Al과 Mg 을 혼합한 소스를 사용한 HVPE 방법으로 AlN 성장과 Mg 도핑이 가능한지 확인하고, 첨가하는 Mg 금속의 질량을 조절하여 에피층의 Mg 조성 변화와 구조적인 특성의 변화를 여러가지 측정을 통하여 알아보았다.
본 논문에서는 사파이어 기판 위에 혼합 소스 HVPE 방법을 이용하여 Mg이 도핑된 AlN 에피층을 성장하였다. AlN 에피층의 Mg 농도는 혼합 소스에 첨가하는 Mg 금속의 질량으로 조절하였고, EDS 측정으로 성장된 에피층의 Mg 원자 비율이 Mg 금속의 질량에 비례하여 변화되는 것을 확인하였다.

대상 데이터

성장영역은 3개의 퍼니스로 구성되어 온도를 조절할 수 있다. AlN 에피층 성장과 Mg 도핑을 위해서 소스 영역에 3족 원료인 Al 금속과 소량의 Ga, 그리고 Mg 금속 혼합하여 흑연 보트에 담아 사용하였다. RF 방식으로 흑연 보트를 설정한 온도로 유지하며 소스 영역에 HCl을 일정하게 흘려주어 소스와 반응해 금속-염화물(metal-chloride) 기체를 성장영역으로 공급하였다.
성장 영역으로 이동한 금속-염화물 기체는 5 족 물질로 사용한 암모니아(NH₃) 기체와 반응하여 c면 사파이어 기판 위에 Mg을 도핑한 AlN 에피층이 성장되도록 하였다. 암모니아 기체는 별도의 석영관을 통해 일정하게 성장 영역으로 공급해 주었고, 운반 기체와 분위기 기체는 질소를 사용하였다. 성장에 사용된 Mg 금속의 질량에 따른 에피층의 특성을 비교하기 위하여, Al과 Ga 금속량은 일정하게 유지하고, Mg 금속의 첨가량을 변화시켰다.

데이터처리

Fig. 2는 TESCAN사의 MIRA3 전계방출형 주사전자 현미경(field emission scanning electron microscope, FE-SEM)으로 관찰한 Mg 금속 첨가량에 따라 성장한 AlN 에피층의 표면과 단면 사진이다. Fig.
3은 sample 1~5에 대해 2θ 값이 30^o 에서 80^o 범위에서 측정한 XRD 2theta/omega 스캔 결과이다. 측정 장비는 고분해능 X선 회절 장치(high resolution X-ray diffraction, HR-XRD)로서 Rigaku사의 Smartlab을 사용 하였다. Fig.

성능/효과

본 논문에서는 사파이어 기판 위에 혼합 소스 HVPE 방법을 이용하여 Mg이 도핑된 AlN 에피층을 성장하였다. AlN 에피층의 Mg 농도는 혼합 소스에 첨가하는 Mg 금속의 질량으로 조절하였고, EDS 측정으로 성장된 에피층의 Mg 원자 비율이 Mg 금속의 질량에 비례하여 변화되는 것을 확인하였다. 첨가되는 Mg 금속의 질량이 증가하여 도핑되는 Mg 양이 증가됨에 따라 AlN 에피층의 표면 상태의 저하가 발생되었고, 높은 농도의 도핑을 위하여 일정 질량 이상의 많은 Mg 금속을 첨가하면 AlN 결정 외에 Mg과 관련된 다른 물질로 결정 구조의 변화가 일어남을 XRD 측정을 통해 확인되었다.
첨가되는 Mg 금속의 질량이 증가하여 도핑되는 Mg 양이 증가됨에 따라 AlN 에피층의 표면 상태의 저하가 발생되었고, 높은 농도의 도핑을 위하여 일정 질량 이상의 많은 Mg 금속을 첨가하면 AlN 결정 외에 Mg과 관련된 다른 물질로 결정 구조의 변화가 일어남을 XRD 측정을 통해 확인되었다. XPS 측정 결과에서 Mg 원소의 광전자 스펙트럼이 관찰되어, 혼합 소스 HVPE 방법으로 AlN 에피층의 Mg 도핑을 확인되었다. 성장된 에피층의 결정 구조가 영향을 받지 않는 영역에서 Mg 도핑 농도를 최적화 된다면 우수한 p형 AlN 에피층을 성장하기 용이할 것으로 기대된다.
AlN 에피층의 Mg 농도는 혼합 소스에 첨가하는 Mg 금속의 질량으로 조절하였고, EDS 측정으로 성장된 에피층의 Mg 원자 비율이 Mg 금속의 질량에 비례하여 변화되는 것을 확인하였다. 첨가되는 Mg 금속의 질량이 증가하여 도핑되는 Mg 양이 증가됨에 따라 AlN 에피층의 표면 상태의 저하가 발생되었고, 높은 농도의 도핑을 위하여 일정 질량 이상의 많은 Mg 금속을 첨가하면 AlN 결정 외에 Mg과 관련된 다른 물질로 결정 구조의 변화가 일어남을 XRD 측정을 통해 확인되었다. XPS 측정 결과에서 Mg 원소의 광전자 스펙트럼이 관찰되어, 혼합 소스 HVPE 방법으로 AlN 에피층의 Mg 도핑을 확인되었다.

후속연구

XPS 측정 결과에서 Mg 원소의 광전자 스펙트럼이 관찰되어, 혼합 소스 HVPE 방법으로 AlN 에피층의 Mg 도핑을 확인되었다. 성장된 에피층의 결정 구조가 영향을 받지 않는 영역에서 Mg 도핑 농도를 최적화 된다면 우수한 p형 AlN 에피층을 성장하기 용이할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	AlN의 장점은?	AlN는 넓은 밴드 갭 및 높은 열전도율로 인해 넓은 밴드 갭 및 고주파 전자 소자로 유망한 재료이다. AlN은 전력 반도체의 재료로서 더 큰 항복전압과 고전압에서의 더 작은 특성저항의 장점을 가지고 있다. 높은 전도도를 갖는 p형 AlN 에피층의 성장은 AlN 기반 응용 제품 제조에 중요하다.
	AlN란?	AlN는 넓은 밴드 갭 및 높은 열전도율로 인해 넓은 밴드 갭 및 고주파 전자 소자로 유망한 재료이다. AlN은 전력 반도체의 재료로서 더 큰 항복전압과 고전압에서의 더 작은 특성저항의 장점을 가지고 있다.

참고문헌 (24)

Y.F. Wu, B.P. Keller, S. Keller, D. Kapolnek, P. Kozodoy, S.P. DenBaars and A.U.K. Mishra, "Very high breakdown voltage and large transconductance realized on GaN heterojunction field effect transistors", Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 1438.

상세보기
N.H. Train, B.H. Le, S. Zhao and Z. Mi, "On the mechanism of highly efficient p-type conduction of Mgdoped ultra-widebandgap AlN nanostructures", Appl. Phys. Lett. 110 (2017) 032102.

상세보기
V. Adivarahan, J. Zhang, A. Chitnis, W. Shuai, J. Sun, R. Pachipulusu, M. Shatalov and M.A. Khan, "Sub-milliwatt power III-N light emitting diodes at 285 nm", Jpn. J. Appl. Phys. 41 (2002) L435.
G. Dohler, "n-i-p-i doping superlattices-metastable semiconductors with tunable properties", J. Vac. Sci. Technol. B 1 (1983) 278.

상세보기
I.H. Heo, S.L. Hwang, H.S. Jeon, C.H. Lee, S.H. Hong, Y.H. Han, E.J. Kim, M. Yang, H.S. Ahn, J.H. Shim, S.W. Kim, I.S. Cho, J.H. Lee and S.K. Shee, "Doping of Nitride Semiconductors by Using Mixed-source HVPE", Sae Mulli 56 (2008) 272.
S. Nakamura, N. Iwasa, M. Senoh and T. Mukai, "Hole compensation mechanism of p-type GaN films", Jpn. J. Appl. Phys. 31 (1992) 1258.

상세보기
K.S. Jang, K.H. Kim, S.L. Hwang, H.S. Jeon, H.S. Ahn, M. Yang, W.J. Choi, S.W. Kim, Y. Honda, M. Yamaguchi, N. Sawaki, J. Yoo, S.M. Lee and M. Koike, "Characterization of AlGaN, Te-doped GaN and Mg-doped GaN grown by hydride vapor phase epitaxy", Phys. Stat. Sol. (c) 4 (2007) 133.

상세보기
H. Amano, M. Kito, K. Hiramatsu and I. Akasaki, "Ptype conduction in Mg-doped GaN treated with lowenergy electron beam irradiation (LEEBI)", Jpn. J. Appl. Phys. 28 (1989) 2112.

상세보기
B.R. Bennett, T. Suemitsu, N. Waldron and J.A. Del Alamo, "Growth of InP high electron mobility transistor structures with Te doping", J. Crystal Growth 278 (2005) 596.

상세보기
Y. Peng, C. Xia, H. Zhang, T. Wang, S. Wei and Y. Jia, "Tunable electronic structures of p-type Mg doping in AlN nanosheet", AIP Conference Proceedings 116 (2014) 044306.
Y. Taniyasu, M. Kasu and T. Makimoto, "An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres", Nature 325 (2006) 441.
S. Surender, S. Pradeep, R. Ramesh and K. Baskar, "Investigation on structural, optical and electrical properties of Cp2Mg flow varied p-GaN grown by MOCVD", AIP Conference Proceedings 1731 (2016) 080083.
K. Tamamura, T. Ohhata, H. Kawai and C. Kojima, "Magnesium doping of (Al,Ga)As in metalorganic chemical vapor deposition", Appl. Phys. Lett. 59 (1986) 3549.
Y. Taniyasu, J.F. Carlin, A. Castiglia, R. Butte and N. Grandjean, "Mg doping for p-type AlInN lattice-matched to GaN", Appl. Phys. Lett. 101 (2012) 082113.

상세보기
H.S. Jeon, S.L. Hwang, C.H. Lee, I.H. Heo, S.H. Hong, E.J. Kim, Y.H. Han, K.H. Kim, H. Ha, M. Yang, H.S. Ahn, S.W. Kim, J.H. Lee and S.K. Shee, "Characteristics of a non-phosphor white LED grown by using mixed-source HVPE", J. Korean Phys. Soc. 54 (2009) 1262.

상세보기
M. Yang, S.L. Hwang, C.H. Lee, H.S. Jeon, K.H. Kim, S.H. Hong, I.H. Heo, H.S. Ahn, J.H. Shim, S.W. Kim, I.S. Cho, W.T. Lim, J.H. Lee and S.K. Shee, "Structural phase variation of InGaN micro-structures grown by mixed-source HVPE", Sae Mulli 56 (2008) 238.
I.H. Heo, S.L. Hwang, H.S. Jeon, C.H. Lee, S.H. Hong, Y.H. Han, E.J. Kim, M. Yang, H.S. Ahn, J.H. Shim, S.W. Kim, I.S. Cho, J.H. Lee and S.K. Shee, "Doping of nitride semiconductors by using mixed-source HVPE", Sae Mulli 56 (2008) 272.
K.H. Kim, J.Y. Yi, H.J. Lee, K.S. Jang, M. Yang, H.S. Ahn, C.R. Cho, J.P. Kim, S.W. Kim, W.J. Choi and I.S. Cho, "Growth and characteristics of an AlGaN layer deposited by a hydride vapor phase epitaxy method", Sae Mulli 50 (2005) 175.
K.H. Kim, J.Y. Yi, H.J. Lee, M. Yang, H.S. Ahn, S.N. Yi, J.H. Chang, H.S. Kim, S.C. Lee and S.W. Kim, "Hydride vapor phase epitaxy for the growth of AlGaN crystal", Sae Mulli 48 (2004) 546.
S.-G. Jung, H. Jeon, G.S. Lee, S.M. Bae, W.I. Yun, K.H. Kim, S.N. Yi, M. Yang, H.S. Ahn, S.-W. Kim, Y.-M. Yu, S.H. Cheon and H.J. Ha, "The properties of AlGaN epi layer grown by HVPE", J. Korean Cryst. Growth and Cryst. Technol. 22 (2012) 11.

원문보기 상세보기
C. Lee, H. Jeon, C. Lee, I. Jeon, M. Yang, S.N. Yi, H.S. Ahn, S.-W. Kim, Y.M. Yu and N. Sawaki, "Characterizations of graded AlGaN epilayer grown by HVPE", J. Korean Cryst. Growth and Cryst. Technol. 25 (2015) 45.

원문보기 상세보기
X. Sun, J. Xiong, W. Zhang, L. Liu and H. Gu, "Investigation of blue luminescence in Mg doped AlN films", J. Alloys Compd. 621 (2015) 314.

상세보기
J. Xiong, P. Guo, F. Guo, X. Sun and H. Gu, "Room temperature ferromagnetism in Mg-doped AlN semiconductor films", Mater. Lett. 117 (2014) 276.

상세보기
L. Rosenberger, R. Baird, E. McCullen, G. Auner and G. Shreve, "XPS analysis of aluminum nitride films deposited by plasma source molecular beam epitaxy", Surf. Interfaces 40 (2008) 1254.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증