[논문]6H-SiC 기판 위에 혼합소스 HVPE 방법으로 성장된 AlN 에피층 특성

박정현; 김경화; 전인준; 안형수; 양민; 이삼녕; 조채용; 김석환

doi:10.6111/jkcgct.2020.30.3.096

[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

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 emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Dislocation density was considered through HR-XRD and related calculations. A fine crystalline AlN epilayer with screw dislocation density of 1.4 × 109 cm-2 and edge dislocation density of 3.8 × 109 cm-2 was confirmed. The AlN epilayer on 6H-SiC (0001) substrate grown by using the mixed source HVPE method could be applied to power devices.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of a mixed-source HVPE for the growth of AlN epilayer on 6H-SiC (0001) substrate.
그림 Fig. 2. SEM images of AlN epilayer on 6H-SiC substrate.
그림 Fig. 3. Growth mechanism of AlN epilayer on 6H-SiC (0001) substrate: (a) SEM image in 2 hours, (b) 5 hours, (c) 10 hours, (d) 50 hours, (e) 100 hours, (f) schematic diagram in 2 hours, (g) 5 hours, (h) 10 hours, (i) 50 hours (j) 100 hours.
그림 Fig. 4. EDS spectra of the AlN epilayers on 6H-SiC (0001) substrate: (a) 5 hours, (b) 100 hours.
그림 Fig. 5. XRD 2theta/omega spectra of the AlN epilayer on 6HSiC (0001) substrate.
그림 Fig. 6. Results of the XRD omega scan.
그림 Fig. 7. (a) XRD intensity as function of 2θ, (b) X-ray rocking curve intensity as function of φ of epilayers grown for 100 hours.
표 Table 1 FWHMs of XRD rocking curve, corresponding threading dislocation densities of AlN epilayer on 6H-SiC (0001) substrate

AI 본문요약
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문제 정의

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 750^o C, 성장영역은 1150^o C로 설정하였으며 성장 시간은 100 시간으로 하였다.
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.

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.

제안 방법

AlN 면을 비대칭면으로 하여 XRD 장비의 Χ(chi) 축을 AlN (1012) 면과 42.73 o 의 각도로 기울여서 측정하였다.
소스영역과 성장영역의 온도는 각각 750^oC와 1150^oC로 일정하게 유지하였다. HCl, NH₃ 그리고 질소 기체는 각각 100 sccm, 1000 sccm, 5000 sccm으로 일정하게 공급하였다. 소스로 사용한 Al의 양은 85 g, Ga의 경우 에피층의 특성에는 영향을 미치지 못하는 정도의 양인 3 g을 첨가하였다.
Rigaku사의 Smartlab 고분해능 X선 회절 장치(high resolution X-ray diffraction, HRXRD)를 사용하여 분석하였으며, CuKα(λ = 1.54059 Å)선의 2 반사 평행빔(2-bounce Parallel Beam, PB) 모드로 측정하였다.
소스를 담는 보트는 흑연으로 제작하여 RF(Radio Frequency) 방식으로 가열할 수 있게 하였다. 소스 영역에 HCl을 일정하게 흘려주어 금속-염화물 기체를 성장영역으로 공급하였다. 3개의 히터 퍼니스를 이용하여 성장영역의 온도를 조절 한다.
HCl, NH₃ 그리고 질소 기체는 각각 100 sccm, 1000 sccm, 5000 sccm으로 일정하게 공급하였다. 소스로 사용한 Al의 양은 85 g, Ga의 경우 에피층의 특성에는 영향을 미치지 못하는 정도의 양인 3 g을 첨가하였다. Al + Ga 혼합 소스(Al 85 g + Ga3 g)를 이용하는 이유로는 소량으로 혼합된 Ga이 Al 표면에 생성된 질화막과 산화막을 제거하여 Al 금속을 성장에 참여할 수 있도록 활성화시켜주며, 또한 혼합 소스 내의 Ga은 Al에 비해 빠른 속도로 소모 되고, Ga이 소진되기 전까지는 Al 조성이 높은 AlGaN 에피층의 핵이 성장된다.
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 750^o C, 성장영역은 1150^o C로 설정하였으며 성장 시간은 100 시간으로 하였다. SEM 결과 성장 초기 모드를 관찰할 수 있었으며 평균 0.
성장 시간은 100 시간으로 하였다. 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)과 에너지 분산 X선 분광기(energy dispersive spectrometer, EDS) 스펙트럼 등을 이용한 AlN 에피층의 표면 관찰을 통해 성장 초기 모드를 설명하였고, X선 회절 방법(X-ray diffraction, XRD)으로 구조적인 특성을 확인하였다. 그 결과 혼합소스 HVPE 방법으로 6H-SiC (0001) 기판 위에 버퍼층 없이 직접 AlN 층의 성장이 가능하며 앞으로 차세대 전력 반도체 소자 제작을 위한 AlN 재료로서 활용될 수있을 것으로 기대된다.
최적의 AlN 에피층을 성장하기 위하여 소스영 역은 750℃ 그리고 성장영역은 1150℃로 설정하여 실험하였다.

대상 데이터

AlN 에피층 성장은 3족 재료인 Al 금속을 사용하며, 성장 영역으로 이동한 금속-염화물 기체는 5족 물질로 사용한 NH 3 기체와 반응하여 6H-SiC 기판 위에 AlN 에피층이 성장된다. NH 3 기체는 2개의 석영관을 통해 일정하게 성장 영역으로 공급해 주며, 운반 기체와 분위기 기체는 질소를 사용하였다. 소스영역과 성장영역의 온도는 각각 750^oC와 1150^oC로 일정하게 유지하였다.

성능/효과

AlN 에피층은 2θ = 36.04o 에서 AlN (0002) 면에 해당하는 피크가 관찰되었으며, 반치폭은 460 arcsec 로 모두 육방정계(wurtzite) 구조의 AlN이 c 축 방향으로 성장되었음을 보여준다.
SEM 결과 성장 초기 모드를 관찰할 수 있었으며 평균 0.5μm의 AlN 에피층을 성장하였다.
111 Å의 a 격자 상수는 벌크 AlN의 이론적인 격자 상수와 일치하였다. X선 회절 결과로부터 성장된 에피 층이 c 축과 a 축으로 벌크 상태인 AlN이 성장되었음을 확인하였다. 또한 Φ축 요동 곡선 측정 결과에서 60^o 의각도 간격인 wurtzite 구조의 6-fold 대칭 관계를 확인할 수 있었다.
X선 회절 방법을 통하여 성장된 AlN 에피층의 c 축 배향성을 확인하였으며, Nscrew 값은 1.4 × 10 9 cm -2 , Nedge 값은 3.8 × 10 9 cm -2으로 전위 밀도를 예측할 수 있었다.
67 ^o의 값으로 대략 60^o 의각도 간격으로 관찰되었다. wurtzite 구조의 6-fold 대칭 관계가 성립함을 의미하고 a 축 방향으로의 결정질도 우수한 것을 확인할 수 있다.
Ga이 소진된 이후에는 남아있는 Al에 의해서 AlN 성장이 연속적으로 진행되며, 장시간 성장시킨 에피층에서는 Ga이 없는 AlN 에피층을 얻을 수 있다. 따라서 본 논문에서는 성장 시간을 100 시간 유지하여 양질의 AlN 에피층을 성장할 수 있었다.
5 μm 정도의 AlN 에피층이 확인되었다. 따라서 혼합소스 HVPE 방법으로 6H-SiC (0001) 기판 위에 후막(thick film)의 AlN 에피층을 성장하기 위해서는 성장 률이 시간당 5 nm로 매우 긴 성장 시간이 필요할 것으로 판단된다.
또한 Φ축 요동 곡선 측정 결과에서 60o 의각도 간격인 wurtzite 구조의 6-fold 대칭 관계를 확인할 수 있었다.
Figure 4(b)에서와 같이 Ga이 소진된 이후에는 남아있는 Al에 의해 AlN 에피층이 성장되었음을 알 수 있다. 이 결과로부터 혼합소스 HVPE 방법을 이용하여 6H-SiC (0001) 기판 위에 버퍼층 없이 AlN를 성장하기 위해서는 초기 핵성장을 원활하게 하는 Ga의 역할이 매우 중요하다는 것을 확인할 수 있다.
3(d), (i)). 최종적으로 100 시간 동안 고른 두께의 AlN 에피층이 성장된 것을 확인할 수 있다(Fig. 3(e), (j)).

후속연구

주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)과 에너지 분산 X선 분광기(energy dispersive spectrometer, EDS) 스펙트럼 등을 이용한 AlN 에피층의 표면 관찰을 통해 성장 초기 모드를 설명하였고, X선 회절 방법(X-ray diffraction, XRD)으로 구조적인 특성을 확인하였다. 그 결과 혼합소스 HVPE 방법으로 6H-SiC (0001) 기판 위에 버퍼층 없이 직접 AlN 층의 성장이 가능하며 앞으로 차세대 전력 반도체 소자 제작을 위한 AlN 재료로서 활용될 수있을 것으로 기대된다.
이는 a 축 방향으로의 결정질도 우수한 것으로 판단된다. 따라서 혼합소스 HVPE 방법으로 6H-SiC (0001) 기판 위에 버퍼층 없이 AlN 층의 성장이 가능하며 앞으로 차세대 전력 반도체 소자 제작을 위한 AlN 재료로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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.

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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저자의 다른 논문 :

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].

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