초록 ▼

□ 연구개요
미래자동차, 시스템 반도체, 바이오헬스 등에 공통적으로 적용 및 개발되는 핵심 소재로서 Ga₂O₃ 및 SiC와 같은 고에너지갭 (WBG; Wide Bandgap) 반도체에 대한 관심도가 급증하고 있음. 특히, Ga₂O₃는 다른 고에너지갭 소재에 비하여 더욱 넓은 에너지밴드갭 (4.5~4.9 eV)등 우수한 특성으로 소자 성능에서 더욱 유리할 것으로 기대됨. 하지만 타 WBG소재 대비 단결정 성장과 에피택시 층에 비해 여전히 높은 결함농도

□ 연구개요
미래자동차, 시스템 반도체, 바이오헬스 등에 공통적으로 적용 및 개발되는 핵심 소재로서 Ga₂O₃ 및 SiC와 같은 고에너지갭 (WBG; Wide Bandgap) 반도체에 대한 관심도가 급증하고 있음. 특히, Ga₂O₃는 다른 고에너지갭 소재에 비하여 더욱 넓은 에너지밴드갭 (4.5~4.9 eV)등 우수한 특성으로 소자 성능에서 더욱 유리할 것으로 기대됨. 하지만 타 WBG소재 대비 단결정 성장과 에피택시 층에 비해 여전히 높은 결함농도(~10⁵/cm³)를 가지고 있음. 또한 P-type 도핑이 용이하지 않아, 전통적인 Diode, MOSFET 소자를 구현하기 위한 가판기술 성숙도가 높은 타 기판에 대한 증착 기술을 통한 PN 접합 연구가 많이 진행되고 있음. 본 과제에서는 상기 문제의 해결을 위하여, 깊은 준위 결함을 분석하고 연관된 고에너지갭 이종접합 구조의 유효도핑과 유효 전위장벽, 캐리어의 양극성 거동, 소수캐리어 수명을 규명하여 이를 이용한, 새로운 패러다임의 깊은 준위상태 제어에 기반한 고에너지갭 이종접한 소자의단위구조(building block)를 구현하고자 함.

□ 연구 목표대비 연구결과
1차년도는 고에너지갭 반도체 SiC, Ga₂O₃ 및 이종접합 구조 형성 연구를 함. PVD 기법을 이용해 Ga₂O₃/SiC 소자를 제작하고, DLTS 장비로 As, N₂, O₂ 후열처리 분위기에서의 깊은 준위 결함을 분석함. 결과적으로 As 소자에서 E_c-0.5 eV, N₂ 어닐링소자에서 0.98-1.21 eV, O₂ 소자에서 0.93-1.04 eV 범위의 결함이 발견됨. I-V 측정으로 N₂ 소자의 온-전류가 As, O₂ 소자에 비해 높은 것을 확인했고, TE 모델을 통해 쇼트키 장벽 높이를 1.14, 1.02, 1.04 eV로 분석함.
2차년도는 고에너지갭 이종접합의 유효 도핑, 전위장벽, 소수캐리어 수명분석 및 최적화를 함. I-V, C-V, Hall, PL 측정을 통해 이종접합 소자의 유효 도핑, 전위장벽, 소수캐리어 수명을 최적화함. 이상계수(Ideality factor)가 2.15에서 1.66으로 개선되었으며, C-V 결과는 쇼트키 장벽 높이를 2.33, 1.92, 2.18 eV로 도출됨. Hall 측정으로 N₂ 어닐링 소자는 높은 도핑 농도를 가짐을 확인했으며, PL 측정은 소수캐리어 소멸 시간이 9 ns, 13.4 ns임.
3차년도는 고에너지갭 이종접합 기반 양극성 bipolar 소자 구현을 위하여 Ga₂O₃/SiC 이종접합 다이오드 제작 및 전기적 특성과 깊은 준위 결함-스위칭 분석함. 온전류는 N₂ 열처리 후 1×10^-3 A/cm²로 증가했고, 쇼트키 장벽 높이와 이상 계수는 0.72 eV, 5.18과 0.69 eV, 1.47로 도출됨. N₂ 열처리로 인해 E_c-1.25 eV의 deep level 결함이 사라지고, 0.2 eV의 shallow level 결함이 나타남. 역회복 특성 시뮬레이션 결과 As 소자는 결함이 없는 소자 대비 I_rr이 100 A/cm² 증가했고, N₂ 열처리된 소자는 이상적인 소자의 특성과 유사함. N₂ 열처리를 통해 깊은 준위 결함을 제어하고 bipolar 소자의 역전류를 최적화하였음.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
치열한 글로벌한 경쟁에 돌입한 BIG3 및 4차산업혁명 분야에 있어서 핵심 소재/소자로 적용될 수 있는 고에너지갭 기반 소재/구조의 깊은 준위 결함 제어 원천 기술을 확보함으로서 EV/자율 자동차, 태양광, 풍력 등신재생 에너지의 인버터/컨버터 및 국방/항공우주등 미래 고효율 에너지변환 모듈 및 바이오/극한환경 소자에 활용될 것으로 예측.
차세대 고에너지갭 Ga₂O₃- 및 SiC-기반 소재-소자 관련 기반기술 확보를 통하여 선진기술 종속에서 탈피하고, 관련 학문, 기술적 역량과 안목이 축적된 우수한 인력을 양성하여 산업 경쟁력을 확보하고, 현재 일본을 중심으로 미국 유럽의 선진기관들이 주도하는 가운데, 중국이 추격, 추월하려는 해당 고에너지갭 소재/소자 시장에서의 국가 경쟁력을 공고히 할 수 있을 것으로 기대됨.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• 1) 1차년도 연구목표 : 고에너지갭 반도체 SiC, Ga₂O₃ 및 Ga₂O₃/SiC 구조 형성 연구 ... 4
• 2) 2차년도 연구목표 : 고에너지갭 이종접합의 유효 도핑, 전위장벽과 소수캐리어 수명분석 및 최적화 ... 7
• 3) 3차년도 연구목표 : 고에너지갭 이종접합 기반 양극성 Bipolar 소자 구현 ... 9
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 11
• 1) 정성적 연구개발성과 (연구개발결과) ... 11
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 11
• 3) 목표 달성 수준 ... 11
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 12
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 (연구개발결과의 중요성) ... 12
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 자체점검표 ... 13
• 7. 참고문헌 ... 14
• 끝페이지 ... 27