[논문]N형 SiC 반도체의 열전 물성에 미치는 적층 결함의 영향

배철훈

doi:10.5762/kais.2021.22.3.13

[국내논문] N형 SiC 반도체의 열전 물성에 미치는 적층 결함의 영향
The Effect of Stacking Fault on Thermoelectric Property for n-type SiC Semiconductor 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.3, 2021년, pp.13 - 19

초록
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n형 SiC 반도체에서 적층 결함이 열전 물성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. ��-SiC 분말 성형체를 질소 분위기에서 1600~2100 ℃, 20~120분간 열처리해서 30~42 %의 기공률을 갖는 다공질 SiC 반도체를 제작하였다. X선 회절 분석으로 적층 결함량, 격자 스트레인 및 격자 상수를 산출하였고, 미세 구조 분석을 위해서 기공률 및 비표면적 측정과 함께, 주사 전자현미경 (SEM), 투과 전자현미경 (TEM) 및 고분해능 전자현미경 (HREM) 등을 관찰하였다. Ar 분위기 550~900 ℃에서 도전율과 Seebeck 계수를 측정 및 산출하였다. 열처리 온도가 높을수록, 처리 시간이 길어질수록 캐리어 농도 증가 및 입자와 입자간의 연결성 향상에 의해 도전율이 향상되었다. 도너로 작용하는 질소의 고용으로 Seebeck 계수는 음(-)의 값을 나타내었고, 도전율과 마찬가지로 열처리 온도 및 시간이 상승함에 따라 Seebeck 계수의 절대 값이 증가하였다. 이는 적층 결함의 감소, 즉 입자 및 결정 성장과 함께 적층 결함 밀도의 감소에 의해 포논의 평균 자유 행정이 증가해서 결과적으로 포논-드랙 효과에 의한 Seebeck 계수의 향상으로 나타난 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examined the effects of stacking faults on the thermoelectric properties for n-type SiC semiconductors. Porous SiC semiconductors with 30~42 % porosity were fabricated by the heat treatment of pressed ��-SiC powder compacts at 1600~2100 ℃ for 20~120 min in an N2 atmosphere. XRD was performed to examine the stacking faults, lattice strain, and precise lattice parameters of the specimens. The porosity and surface area were analyzed, and SEM, TEM, and HRTEM were carried out to examine the microstructure. The electrical conductivity and the Seebeck coefficient were measured at 550~900 ℃ in an Ar atmosphere. The electrical conductivity increased with increasing heat treatment temperature and time, which might be due to an increase in carrier concentration and improvement in grain-to-grain connectivity. The Seebeck coefficients were negative due to nitrogen behaving as a donor, and their absolute values also increased with increasing heat treatment temperature and time. This might be due to a decrease in stacking fault density, i.e., a decrease in stacking fault density accompanied by grain growth and crystallite growth must have increased the phonon mean free path, enhancing the phonon-drag effect, leading to a larger Seebeck coefficient.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. HREM structural image of the typical stacking faults in β-SiC ceramics.
$Fig. 2. Powder X-ray diffraction patterns of the starting β-SiC powder and the specimens heat treated for 20 min in N<sub>2</sub> atmosphere at various temperatures.$ 그림 Fig. 2. Powder X-ray diffraction patterns of the starting β-SiC powder and the specimens heat treated for 20 min in N₂ atmosphere at various temperatures.
$Fig. 3. X-ray diffraction profile in which the values for defining the separability are shown.$ 그림 Fig. 3. X-ray diffraction profile in which the values for defining the separability are shown.
표 Table 1. Characteristics for the specimens obtained under the various heat treatment conditions.
그림 Fig. 4. Schematic diagram of the apparatus for electrical conductivity and Seebeck coefficient measurement; 1. Specimen, 2. Silicon rubber, 3. Voltmeter, 4. DC current source, 5. Thermocouple, 6. Alumina tube, 7. Gas inlet, 8. Gas outlet, 9. Air inlet, and 10. Air outlet.
그림 Fig. 5. Change in stacking fault for SiC heat treated for 20 min in N₂ atmosphere at the various temperatures.
그림 Fig. 6. Change in stacking fault for SiC heat treated at 1800 ℃ in N₂ atmosphere for the various times.
그림 Fig. 7. Temperature dependences of electrical conductivity for SiC heat treated for 20 min in N₂ atmosphere at the various temperatures.
그림 Fig. 8. Scanning electron micrographs of the specimens heat treated at (a) 1800 ℃ (b) 2000 ℃ for 20 min in N2 atmosphere ; bar = 10 ㎛.
그림 Fig. 9. Temperature dependences of the Seebeck coefficient for SiC heat treated in N₂ atmosphere. (a) for 20 min at the various temperatures (b) at 1800 ℃ and 1900 ℃ for the various times
그림 Fig. 10. Low-magnification transmission electron micrographs of the specimens heat treated at (a) 1800 ℃ (b) 2000 ℃ for 20 min in N₂ atmosphere ; bar = 2 ㎛.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 적층결함이 n형 SiC 반도체의 열전물성에 미치는 영향에 관해 고찰하였다.

제안 방법

6^O 회절선의 상대강도가 높은 것을 확인할 수 있으며, 2100 ℃에서 열처리한 시편 S9에서는 β-SiC에서 α-SiC로의상전이가 일부 발생한 것을 알 수 있다. 따라서 X선 회절분석 결과에서 상전이가 발생하지 않은 2000 ℃ 이하에서 열처리한 시편에 대해서 33.6^O 회절선과 41.4^O 회절선을 기준으로, 본 연구진이 기존에 제안했던 Y [%] = x/(ax+b) + cx³ 식을 이용해서[6], 적층결함관련 X선프로파일 분석을 행하였다. 여기서 Y는 적층결함 밀도, x는 33.
7 이다. 또한 X선 회절선의 폭은 일반적으로 적층결함 밀도, 결정립 크기 및격자 스트레인 등의 구조적 인자에 영향 받으므로, 본 연구에서는 X선 회절선 Kα1과 Kα2의 분리도를 A/B 및 C/D로 해서 (Fig. 3), 격자 스트레인을 평가하였다.
열전물성 평가는 Ar 분위기 550∼900 ℃에서 Fig. 4 에 나타낸 바와 같이 시편의 양끝에 홈을 내어 Pt-Pt∙ 13%Rh 열전대의 접합부를 고정시키고 Pt선을 전극 처리한 부분 끝의 홈에 고정하여 직류 4단자법으로 도전율을 측정하고, 동일 시편에 대해 한쪽에 냉각공기를 흘려주어 고온부와 2∼8 K의 온도차를 발생시켜 이에 발생된 전위차의 기울기로부터 Seebeck 계수를 산출해서 열전물성에 미치는 적층결함의 영향에 대해 고찰하였고, 미세구조의 영향을 고찰하기 위해 열처리한 시편들에 대해 기공률 및 비표면적을 측정하였고, TEM (Transmission electron microscope), HREM (High-resolution transmission electron microscope) 및 SEM (Scanning electron microscope) 등을 이용해서 미세구조 변화를 관찰하였다.
출발원료로 13 %의 적층결함을 내포하는 β-SiC (Central Glass Co., Ltd., 순도 99.2 %, 평균입경 ∼0.4 ㎛)를 사용해서 정수압 가압 성형후 고주파 유도 가열로를 이용해서 질소 분위기 1600∼2100 ℃에서 20∼120 분간 열처리해서 각종 시편을 제작하였고, 시편들의 분말 X선 회절분석 결과를 Fig. 2에 나타내었다. X선 회절 프로파일로부터 상대적으로 적층결함이 많을 것으로 예측되는 β-SiC 분말 및 저온에서 열처리한 시편의 경우, 회절각 41.

성능/효과

얻었다. 1) 열처리 온도 및 시간의 상승에 따라 입자 성장에의해 적층결함이 감소하였으며, 특히 1800 ℃ 이상의 열처리 공정에 의해 급속하게 감소하였다.
2) 열처리 온도 및 시간의 상승에 따라 질소 고용량증가에 따른 캐리어 농도 상승과 함께 기공률 감소 및 입자와 입자간의 연결성 향상 등의 미세구조 변화에 의해 도전율이 상승하였다.
3) 열처리 온도 및 시간의 상승에 따라 적층결함 감소에 의해 Seebeck 계수의 절대값이 증가하였고, 1900 ℃에서 120분간 열처리한 시편에서 가장 큰절대값을 나타내었다.
4) 과잉의 질소고용은 격자 스트레인 증가에 의한 적층결함량 상승의 원인이 되어 Seebeck 계수의 절대값을 감소시켰다.
결과를 종합적으로 분석해 보면, 도전율 향상을 위해서는 질소 고용량을 증가시키면서 입자와 입자의 연결성이 우수한 미세구조가 바람직하지만, 역으로 질소 고용은적층결함을 증가시켜 Seebeck 계수를 감소시키기 때문에, 열처리 조건의 정밀한 제어를 통해서 최적의 열전변환능 (power factor, σα²) 조건을 확립함으로서 SiC의열전변환 물성의 보다 큰 향상을 기대할 수 있을 것으로판단된다.
Table 1 에서 시편 S1, S2, S3, S5, S8의 격자상수 변화로부터 열처리 온도가 상승함에 따라 질소 고용량 증가에 의해 격자상수가 감소하였고, 결과적으로 캐리어 농도 증가에 의해 도전율이 상승한 것으로 사료된다. 또한 열처리 온도가 상승함에 따라 기공률이 감소하였고, SEM 관찰결과 (Fig. 8) 1800 ℃보다 2000 ℃에서 열처리한 시편의 경우에 뚜렷한 입자 성장과 함께 입자와 입자간의 연결성이 비교적 양호했던 미세구조적 영향도 도전율 상승에 기여한 것으로 판단된다.
7에 도전율의 온도의존성을 나타내었다. 모든 시편에서 온도 상승과 함께 도전율이 증가하는 전형적인 반도 체적 특성을 나타내었고, 열처리 온도가 높을수록 도전율이 상승하였으며 2000 ℃에서 열처리한 시편(S5) 의도 전율이 가장 높았다. 이는 열처리 과정에서 도입된 질소의 고용량과 미세구조의 영향으로 판단된다.
있다[10, 11]. 본 연구에서의 SiC 반도체의 경우, 열처리과정에서 분위기 기체인 질소가 입내로 확산 고용되고 출발원료(순도 99.2 %)에 내재했던 불순물들의 일부는 입계에 잔존할 것으로 예상되므로, 입내에는 적층결함 및 고농도의 질소 고용물이 존재하게 되어 밴드갭내에 고농도의국재준위가 존재하고, 입계에는 불순물에 의한 국재준위가존재하여 입계층에는 정(+)의 전하가 축적되고, 입계층의양측은 공간전하층이 형성되어 도전율이 저하되는 것으로사료된다. 따라서 도전율 향상을 위해서는 입자간의 연결성과 함께 입계층의 제어도 중요한 인자로 판단된다.
6에 나타내었다. 열처리 시간 증가에 따라 적층결함이 감소하는 것을 볼 수 있으며, 80분 이상부터는 감소율이 둔화되는 것을 확인할수 있다. 이러한 경향은 열처리 초기에 입자 성장이 활발히 일어나고 시간이 경과함에 따라 입자 성장이 둔화됨에기인하는 것으로 판단되며, Table 1에서 열처리 온도 1800 ℃인 시편 S3과 S4, 1900 ℃인 시편 S5∼S7의 기공률 및 비표면적 변화로부터 확인할 수 있다.

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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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