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[국내논문] 6H-SiC 기판 위에 혼합소스 HVPE 방법으로 성장된 AlN 에피층 특성
Properties of AlN epilayer grown on 6H-SiC substrate by mixed-source HVPE method 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.30 no.3, 2020년, pp.96 - 102  

박정현 (한국해양대학교 전자소재공학과) ,  김경화 (한국해양대학교 전자소재공학과) ,  전인준 (부산대학교 나노에너지공학과 나노융합기술과) ,  안형수 (한국해양대학교 전자소재공학과) ,  양민 (한국해양대학교 전자소재공학과) ,  이삼녕 (한국해양대학교 전자소재공학과) ,  조채용 (부산대학교 나노에너지공학과 나노융합기술과) ,  김석환 (안동대학교 물리학과)

초록
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본 논문에서는 6H-SiC (0001) 기판 위에 AlN 에피층을 혼합 소스 수소화물 기상 에피택시 방법에 의해 성장하였다. 시간당 5 nm의 성장률로 0.5 ㎛ 두께의 AlN 에피층을 얻었다. FE-SEM과 EDS 결과를 통해 6H-SiC (0001) 기판 위에 성장된 AlN 에피층 표면을 조사하였다. HR-XRD와 계산식을 통해 전위 밀도를 예측하였다. 1.4 × 109 cm-2의 나사 전위 밀도와 3.8 × 109 cm-2의 칼날 전위 밀도를 가지는 우수한 결정질의 AlN 에피층을 확인하였다. 혼합소스 HVP E 방법에 의해 성장된 6H-SiC 기판 위의 AlN 에피층은 전력소자 등에 응용이 가능할 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, AlN epilayers on 6H-SiC (0001) substrate are grown by mixed source hydride vapor phase epitaxy (MS-HVPE). AlN epilayer of 0.5 ㎛ thickness was obtained with a growth rate of 5 nm per hour. The surface of AlN epilayer grown on 6H-SiC (0001) substrate was investigated by field emi...

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 전력 반도체 소자 분야에서 매우 유용한 6H-SiC (0001) 기판 위에 AlN를 직접 성장한 후 그 특성을 분석하였다. 혼합소스 HVPE 방법은 성장하고자 하는 금속 원료를 하나의 보트에 혼합하여 사용하는 HVPE 방식으로써 간단한 구조를 사용하여 질화물 에피층을 성장할 수 있다는 장점이 있다.
  • 본 논문에서는 성장하고자 하는 재료를 흑연 보트에 혼합하여 물질의 재료 종류와 무관하게 간단한 구조의 장비로 공정이 가능한 혼합소스 HVPE 방법을 이용하여 6H-SiC (0001) 기판 위에 AlN 에피층을 버퍼층 없이 직접 성장한 후 그 특성을 분석하였다. 양질의 AlN 에피층을 성장하기 위하여 소스영역은 750o C, 성장영역은 1150o C로 설정하였으며 성장 시간은 100 시간으로 하였다.

가설 설정

  • XRD 2theta/omega spectra of the AlN epilayer on 6HSiC (0001) substrate. (a) XRD result in log scale, plotted from 20 degree to 80 degree, (b) XRD result in log scale, plotted from 34 degree to 38 degree.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
AlN는 무엇인가? GaN, InGaN 그리고 AlGaN와 같은 질화물 계열의 반도체 중 AlN는 6.2 eV의 넓은 에너지 밴드갭을 가진 직접천이형 반도체 물질로 높은 열전도도와 전기적 특성을 가지고 있어 자외선(ultraviolet ray) 영역의 광소자(optical devices)를 비롯하여 고출력 전자소자(high power electronicdevices) 제작의 핵심 재료로 주목받고 있다[1,2]. 특히 전력 반도체 소자(power semiconductor devices)로는 높은 열적 내구성에 의해 SiC 기반의 소자가 가장 안정화된 재료로 활용되고 있으며, 이 중 SiC와 함께 질화물 반도체인 AlN의 결합은 새로운 차세대 전력 반도체 소자로서 매우 중요한 연구 분야이며, 응용 수요가 급속히 늘어날 것으로 전망된다[3-5].
혼합소스 HVPE 방법의 장점은? HVPE 방법으로 도핑된 AlGaN 에피층을 성장하기 위해서는 Al 소스와 Ga 소스 그리고 도핑 소스 영역을 따로 만들어야 하기 때문에 장비가 복잡하고, 에피층의 종류에 따라 소스 영역을 여러 개로 만들어야 하는 단점이 있다. 그러나 상용화된 유기 금속 화학 기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) 방법과 비교하여 성장속도가 매우 빨라 수십~수백 마이크로미터(m)의 두께를 갖는 후막층을 쉽게 성장시킬 수 있다는 장점이 있다. 본 논문의 혼합소스 HVPE 방법은 AlGaN 등의 3원소 화합물이나 n형, p형 질화물 반도체 에피층 성장의 경우 도펀트와 에피층 재료를 흑연 보트 내에 혼합하여 사용하기 때문에 장비가 간단하며, 혼합된 금속 원료 간의 원자 분율(atomic fraction) 을 변화시키거나 소스영역의 온도를 변화시킴으로써 조성비나 도핑 농도 조절에 용이하다[6-16].
SiC, GaN, Ga2 O3 그리고 AlN등 소재들의 특징은? SiC와 같이 고전압에 손상되지 않는 소자 재료와 더불어 AlN와 같은 높은 주파수(약 107 Hz 영역) 를 낼 수 있는 소재를 이용한 전력반도체의 연구는 에너지 효율성을 높이는 매우 중요한 분야라고 판단된다. SiC, GaN, Ga2 O3 그리고 AlN와 같은 새로운 소재들은 Si과 같이 매우 안정된 공정에 기반을 두며, 3 eV 이상의큰 에너지 밴드를 가지고 높은 스위칭 주파수 능력, 항복 전압 그리고 열전도율을 가져 고온 환경의 초고전력에서 사용 가능한 전력 변환 장치의 핵심 재료로 응용이 가능하다. 또한 넓은 에너지 밴드갭(wide band gap, WBG)을가진 반도체 재료의 융합은 차세대 고효율의 전력 반도체 소자 분야에 있어 반드시 필요할 것으로 생각된다.
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참고문헌 (25)

  1. B.K. Meyer, G. Steude, A. Goldner, A. Hoffmann, H. Amano and I. Akasaki, "Photoluminescence investigations of AlGaN on GaN epitaxial films", Phys. Status Solidi B 216 (1999) 187. 

  2. F. Yun, M.A. Reshchikov, L. He, T. King and H. Morkoc "Energy band bowing parameter in $Al_xGa_{1-x}N$ alloys", J. Appl. Phys. 92 (2002) 4837. 

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

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

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  11. 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 Cryst. Technol. 22 (2012) 11. 

  12. 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 Cryst. Technol. 25 (2015) 45. 

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  19. M. Pons, J. Su, M. Chubarov, R. Boichot, F. Mercier, E. Blanquet, G. Giusti and D. Pique, "HVPE of aluminum nitride, film evaluation and multiscale modeling of the growth process", J. Cryst. Growth 468 (2017) 235. 

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