3세대 반도체 소개: GaN 및 관련 에피택셜 기술

1. 3세대 반도체

(1) 1세대 반도체

1세대 반도체 기술은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 같은 소재를 기반으로 한다. 이들 소재는 트랜지스터와 집적회로(IC) 기술의 토대를 마련했고, 이는 결국 20세기 전자 산업의 기반을 마련했습니다.

(2) 2세대 반도체
2세대 반도체 소재에는 주로 갈륨비소(GaAs), 인듐인화물(InP), 갈륨인화물(GaP), 인듐비소(InAs), 알루미늄비소(AlAs) 및 이들의 삼원 화합물이 포함됩니다. 이들 소재는 광전자 정보산업의 근간을 이루고 있으며, 이는 조명, 디스플레이, 레이저, 태양광 등 관련 산업의 발전으로 이어졌습니다. 이는 현대 정보 기술 및 광전자 디스플레이 산업에서 널리 사용됩니다.

(3) 3세대 반도체
3세대 반도체의 대표적인 소재로는 질화갈륨(GaN)과 탄화규소(SiC)가 있다. 넓은 밴드갭, 높은 전자 포화 드리프트 속도, 높은 열 전도성 및 큰 항복 전기장으로 인해 이러한 재료는 높은 전력 밀도, 고주파수 및 저손실 전자 장치에 이상적입니다. SiC 전력 장치는 에너지 밀도가 높고 에너지 소비가 낮으며 크기가 작아 전기 자동차, 태양광 발전, 철도 운송 및 빅 데이터 분야의 애플리케이션에 적합합니다. GaN RF 장치는 고주파수, 고전력, 넓은 대역폭, 낮은 전력 소비 및 작은 크기가 특징이므로 5G 통신, 사물 인터넷(IoT) 및 군용 레이더 애플리케이션에 유리합니다. 또한 GaN 기반 전력 장치는 이제 저전압 애플리케이션에 널리 사용됩니다. 신흥 갈륨 산화물(Ga2O3) 소재는 특히 저주파, 고전압 응용 분야에서 기존 SiC 및 GaN 기술을 보완할 수 있는 잠재력을 보여줍니다.

2세대 반도체 재료에 비해 3세대 재료는 더 넓은 밴드갭(일반적으로 Si의 밴드갭은 약 1.1eV, GaAs는 약 1.42eV, GaN은 2.3eV 초과), 더 강한 방사선 저항, 더 높은 전기장 항복 성능 및 더 나은 특성을 갖습니다. 고온 내구성. 이러한 특성으로 인해 3세대 반도체 소재는 내방사선성, 고주파수, 고전력, 고집적 밀도 전자 장치에 특히 적합합니다. 이들은 마이크로파 RF 장치, LED, 레이저 및 전력 장치 분야에서 상당한 진전을 이루고 있으며 모바일 통신, 스마트 그리드, 철도 운송, 전기 자동차, 가전 제품, 자외선 및 청록광 장치 분야에서 유망한 전망을 보여줍니다[1].

그림 1: GaN 전력소자 시장규모 및 전망

2. GaN의 구조와 특성

질화갈륨(GaN)은 우르츠광 구조로 실온에서 밴드갭이 약 3.26eV인 직접 밴드갭 반도체입니다. GaN은 주로 우르자이트(wurtzite), 아연광석(zincblende) 및 암염(rock-salt)의 세 가지 결정 구조로 존재합니다. 이들 중에서 우르츠광 구조가 가장 안정적이다.그림 2는 GaN의 육각형 우르츠광 구조를 보여줍니다.. Wurtzite 구조에서 GaN은 육각형 밀집 구성에 속합니다. 각 단위 셀에는 6개의 질소(N) 원자와 6개의 갈륨(Ga) 원자를 포함하여 12개의 원자가 포함되어 있습니다. 각 Ga(N) 원자는 가장 가까운 4개의 N(Ga) 원자와 결합하여 ABABAB… 패턴[2]의 [0001] 방향을 따라 적층 순서를 형성합니다.

그림 2: GaN 단위 셀의 Wurtzite 구조

3. GaN 에피택시를 위한 공통 기판

언뜻 보면 GaN 기판의 동종에피택시는 GaN 에피택시에 대한 최적의 선택인 것처럼 보입니다. 그러나 GaN의 높은 결합 에너지로 인해 녹는점(2500°C)에서 해당 분해 압력은 약 4.5GPa입니다. 이 압력 이하에서는 GaN이 녹지 않고 직접 분해됩니다. 이로 인해 Czochralski 방법과 같은 전통적인 기판 준비 기술은 GaN 단결정 기판 준비에 적합하지 않습니다. 따라서 GaN 기판은 대량 생산이 어렵고 비용이 많이 든다. 따라서 GaN 에피택시에 일반적으로 사용되는 기판에는 Si, SiC 및 사파이어가 포함됩니다[3].

그림 3: GaN 및 일반 기판 재료의 매개변수

(1) 사파이어의 GaN 에피택시

사파이어는 화학적으로 안정적이고 저렴하며 대량 생산에 있어서 높은 성숙도를 갖고 있어 반도체 장치 공학에서 가장 초기이자 가장 널리 사용되는 기판 재료 중 하나입니다. GaN 에피택시를 위한 일반적인 기판인 사파이어 기판은 다음과 같은 주요 문제를 해결해야 합니다.

✔ 높은 격자 불일치: 사파이어(Al2O3)와 GaN 사이의 격자 불일치가 상당하여(약 15%) 에피택셜 층과 기판 사이의 경계면에서 높은 결함 밀도로 이어집니다. 이러한 부작용을 완화하려면 에피택셜 공정이 시작되기 전에 기판에 복잡한 사전 처리를 거쳐야 합니다. 여기에는 오염 물질과 잔여 연마 손상을 제거하기 위한 철저한 세척, 계단식 표면 구조 생성, 에피택시층의 습윤 특성을 변경하기 위한 표면 질화, 최종적으로 얇은 AlN 버퍼층(일반적으로 10~100nm 두께) 증착 및 낮은 공정이 포함됩니다. - 최종 에피택셜 성장을 준비하기 위한 온도 어닐링. 이러한 조치에도 불구하고, 사파이어 기판에서 성장한 GaN 에피택셜 필름의 전위 밀도는 실리콘 또는 GaAs의 호모에피택시(전위 밀도 0 ~ 102-104 cm^-2)에 비해 여전히 높습니다(~10^10 cm^-2). 결함 밀도가 높으면 캐리어 이동도가 감소하고, 소수 캐리어 수명이 단축되며, 열 전도성이 감소하여 장치 성능이 저하됩니다[4].

✔ 열팽창 계수 불일치: 사파이어는 GaN보다 열팽창 계수가 더 크므로 증착 온도에서 실온으로 냉각됨에 따라 에피택셜 층 내에 이축 압축 응력이 발생합니다. 두꺼운 에피택셜 필름의 경우 이러한 응력으로 인해 필름이 손상되거나 기판에 균열이 생길 수도 있습니다.

✔ 낮은 열 전도성: 다른 기판에 비해 사파이어는 열 전도성이 낮아(100°C에서 ~0.25 Wcm^-1K^-1) 열 방출에 불리합니다.

✔ 낮은 전기 전도성: 사파이어의 낮은 전기 전도성은 다른 반도체 장치와의 통합 및 응용을 방해합니다.

사파이어 위에 성장된 GaN 에피택셜 층의 높은 결함 밀도에도 불구하고 GaN 기반 청녹색 LED의 광학적, 전자적 성능은 크게 저하되지 않는 것으로 보입니다. 따라서 사파이어 기판은 GaN 기반 LED에 일반적으로 사용됩니다. 그러나 레이저 및 기타 고밀도 전력 장치와 같은 GaN 장치가 더 많이 개발됨에 따라 사파이어 기판의 본질적인 한계가 점점 더 분명해지고 있습니다.

(2) SiC의 GaN 에피택시

사파이어와 비교하여 SiC 기판(4H 및 6H 폴리타입)은 GaN 에피택셜 층과의 격자 불일치가 더 작고([0001] 방향을 따라 3.1%) 더 높은 열 전도성(약 3.8Wcm^-1K^-1)을 갖습니다. 후면 전기 접점을 허용하는 전기 전도성으로 인해 장치 구조가 단순화됩니다. 이러한 장점으로 인해 SiC 기판의 GaN 에피택시를 연구하는 연구자가 늘어나고 있습니다. 그러나 SiC 기판에서 GaN 에피택셜 층을 직접 성장시키는 데에는 다음과 같은 몇 가지 과제도 있습니다.

✔ 표면 거칠기: SiC 기판은 사파이어 기판보다 표면 거칠기가 훨씬 높습니다(사파이어의 경우 0.1nm RMS, SiC의 경우 1nm RMS). SiC의 높은 경도와 열악한 기계 가공성은 GaN 에피택셜 층 결함의 원인이 되는 거칠기와 잔류 연마 손상의 원인이 됩니다.

✔ 높은 스레딩 전위 밀도: SiC 기판은 높은 스레딩 전위 밀도(103-104cm^-2)를 가지며, 이는 GaN 에피택셜 층으로 전파되어 장치 성능을 저하시킬 수 있습니다.

✔ 적층 결함: 기판 표면의 원자 배열은 GaN 에피택셜 층에 적층 결함(BSF)을 유발할 수 있습니다. SiC 기판에서 가능한 여러 원자 배열로 인해 GaN 층의 초기 원자 적층 순서가 균일하지 않아 적층 결함이 발생할 가능성이 높아집니다. c축을 따라 있는 BSF는 내장된 전기장을 도입하여 장치에서 캐리어 분리 및 누출 문제를 일으킵니다.

✔ 열팽창 계수 불일치: SiC의 열팽창 계수는 AlN 및 GaN의 열팽창 계수보다 작으므로 냉각 중에 에피택셜 층과 기판 사이에 열 응력이 축적됩니다. Waltereit와 Brand의 연구에서는 얇고 일관되게 변형된 AlN 핵 생성 층에 GaN 에피택셜 층을 성장시킴으로써 이 문제를 완화할 수 있다고 제안합니다.

✔ Ga 원자의 젖음성이 좋지 않음: Ga 원자의 젖음성이 좋지 않아 SiC 표면에서 GaN의 직접적인 성장이 어렵습니다. GaN은 3D 아일랜드 모드에서 성장하는 경향이 있으므로 버퍼층을 도입하는 것은 에피택셜 재료의 품질을 향상시키는 일반적인 솔루션입니다. AlN 또는 AlxGa1-xN 버퍼층을 도입하면 SiC 표면의 젖음성을 향상시켜 GaN 에피택셜층의 2D 성장을 촉진하고 응력을 조절하고 기판 결함이 GaN층으로 전파되는 것을 차단하는 역할을 할 수 있습니다.

✔ 높은 비용 및 제한된 공급: SiC 기판 준비 기술이 미성숙하여 기판 비용이 높고 소수 공급업체의 공급이 제한됩니다.

Torres 등의 연구. 고온(1600°C)에서 H2로 SiC 기판을 사전 에칭하면 보다 규칙적인 단계 구조가 생성되어 처리되지 않은 기판에서 직접 성장한 것과 비교하여 고품질 AlN 에피택시 필름이 생성된다는 것을 나타냅니다. Xie와 그의 팀은 또한 SiC 기판의 에칭 전처리가 GaN 에피택셜 층의 표면 형태와 결정 품질을 크게 향상시킨다는 것을 입증했습니다. Smithet al. 기판/버퍼 층 및 버퍼 층/에피택셜 층 인터페이스로부터의 스레딩 전위가 기판 평탄도와 관련되어 있음을 발견했습니다[5].

그림 4: 다양한 표면 처리 하에 6H-SiC 기판의 (0001) 면에 성장한 GaN 에피택셜 층의 TEM 형태: (a) 화학적 세정; (b) 화학적 세척 + 수소 플라즈마 처리; © 화학적 세척 + 수소 플라즈마 처리 + 1300°C 수소 열처리 30분

(3) Si 상의 GaN 에피택시

SiC 및 사파이어 기판에 비해 실리콘 기판은 성숙한 준비 공정, 안정적인 대형 기판 공급, 비용 효율성, 우수한 열 및 전기 전도성을 자랑합니다. 또한 성숙한 실리콘 전자 장치 기술은 광전자 GaN 장치와 실리콘 전자 장치의 완벽한 통합 가능성을 제공하여 실리콘의 GaN 에피택시를 매우 매력적으로 만듭니다. 그러나 Si 기판과 GaN 재료 사이의 심각한 격자 상수 불일치는 몇 가지 과제를 제시합니다.

✔ 인터페이스 에너지 문제: GaN이 Si 기판에서 성장할 때 Si 표면은 먼저 비정질 SiNx 층을 형성하며 이는 고밀도 GaN 핵 생성에 해롭습니다. 또한, Si 표면은 초기에 Ga와 반응하여 표면 부식을 일으키고, 고온에서는 Si 표면 분해가 GaN 에피층으로 확산되어 검은색 실리콘 반점을 형성할 수 있습니다.

✔ 격자 불일치: GaN과 Si 간의 큰 격자 상수 불일치(~17%)로 인해 고밀도 스레딩 전위가 발생하여 에피택셜 층의 품질이 크게 저하됩니다.

✔ 열팽창 계수 불일치: GaN은 Si(GaN ~5.6×10^-6 K^-1, Si ~2.6×10^-6 K^-1)보다 열팽창 계수가 더 커서 GaN에 균열이 발생할 수 있습니다. 에피택셜 성장 온도에서 실온으로 냉각하는 동안 에피택셜 층.

✔ 고온 반응: Si는 고온에서 NH3와 반응하여 다결정 SiNx를 형성합니다. AlN은 다결정 SiNx에서 우선적으로 핵을 생성할 수 없으므로 결함 밀도가 매우 높고 방향이 잘못된 GaN 성장을 초래하여 단결정 GaN 에피택셜 층을 형성하는 것이 어렵습니다[6].

큰 격자 불일치를 해결하기 위해 연구자들은 AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO 및 SiC와 같은 재료를 Si 기판의 버퍼층으로 도입하려고 시도했습니다. 다결정 SiNx의 형성을 방지하고 GaN/AlN/Si의 결정 품질에 대한 악영향을 줄이기 위해(111), TAl은 일반적으로 AlN 버퍼층의 에피택셜 성장 전에 도입되어 NH3가 노출된 Si 표면과 반응하는 것을 방지합니다. 또한, 에피택셜 층 품질을 향상시키기 위해 패턴화된 기판과 같은 기술이 활용됩니다. 이러한 개발은 에피택셜 인터페이스에서 SiNx의 형성을 억제하고 GaN 에피택셜 층의 2D 성장을 촉진하며 성장 품질을 향상시키는 데 도움이 됩니다. AlN 버퍼층을 도입하면 열팽창 계수의 차이로 인한 인장 응력을 보상하여 실리콘 기판의 GaN층 균열을 방지할 수 있습니다. Krost의 연구는 AlN 버퍼층 두께와 변형률 감소 사이에 양의 상관관계가 있음을 나타냅니다. 이를 통해 적절한 성장 방식을 통해 균열 없이 실리콘 기판에 6μm 이상의 두께의 에피택시층을 성장시킬 수 있습니다.

광범위한 연구 노력 덕분에 실리콘 기판에 성장된 GaN 에피택시층의 품질이 크게 향상되었습니다. 전계 효과 트랜지스터, 쇼트키 장벽 자외선 검출기, 청록색 LED 및 자외선 레이저는 모두 상당한 발전을 이루었습니다.

결론적으로, 일반적인 GaN 에피택셜 기판은 모두 헤테로에피택셜이며 다양한 정도의 격자 불일치와 열팽창 계수 차이에 직면해 있습니다. 동종에피택셜 GaN 기판은 미성숙한 기술, 높은 생산 비용, 작은 기판 크기 및 차선의 품질로 인해 제한되므로 새로운 GaN 에피택셜 기판의 개발과 에피택셜 품질 개선은 향후 산업 발전에 중요한 요소입니다.

4. GaN 에피택시를 위한 일반적인 방법

(1) MOCVD(금속-유기 화학 기상 증착)

GaN 기판의 호모에피택시는 GaN 에피택시에 대한 최적의 선택으로 보이지만 MOCVD(금속-유기 화학 기상 증착)는 상당한 이점을 제공합니다. 트리메틸갈륨과 암모니아를 전구체로 사용하고 수소를 운반 가스로 사용하는 MOCVD는 일반적으로 약 1000~1100°C의 성장 온도에서 작동합니다. MOCVD의 성장 속도는 시간당 수 마이크로미터 범위입니다. 이 방법은 원자적으로 날카로운 인터페이스를 생성할 수 있으므로 이종 접합, 양자 우물 및 초격자를 성장시키는 데 이상적입니다. 상대적으로 빠른 성장 속도, 뛰어난 균일성, 대면적 및 다중 웨이퍼 성장에 대한 적합성으로 인해 산업 생산의 표준 방법이 되었습니다.

(2) MBE(분자빔 에피택시)

MBE(Molecular Beam Epitaxy)에서는 갈륨에 원소 소스를 사용하고, 질소 가스로부터 RF 플라즈마를 통해 활성 질소를 생성합니다. MOCVD에 비해 MBE는 약 350~400°C의 상당히 낮은 성장 온도에서 작동합니다. 이렇게 낮은 온도는 고온 환경에서 발생할 수 있는 일부 오염 문제를 피할 수 있습니다. MBE 시스템은 초고진공 조건에서 작동하므로 더 많은 현장 모니터링 기술을 통합할 수 있습니다. 그러나 MBE의 성장 속도와 생산 능력은 MOCVD의 성장 속도와 생산 능력을 따라잡을 수 없으므로 연구 응용 분야에 더 적합합니다[7].

그림 5: (a) Eiko-MBE의 도식 (b) MBE 주 반응 챔버의 도식

(3) HVPE(수소화물 기상 에피택시)

HVPE(수소화물 기상 에피택시)는 GaCl3 및 NH3를 전구체로 사용합니다. Detchprohmet al. 이 방법을 사용하여 사파이어 기판에 수백 마이크로미터 두께의 GaN 에피택셜 층을 성장시켰습니다. 그들의 실험에서는 사파이어 기판과 에피택시층 사이에 ZnO 버퍼층을 성장시켜 에피택시층이 기판 표면에서 벗겨지는 것을 가능하게 했습니다. MOCVD 및 MBE에 ​​비해 HVPE의 주요 장점은 성장 속도가 높아 두꺼운 층 및 벌크 재료 생산에 적합하다는 것입니다. 그러나 에피택시층 두께가 20μm를 초과하면 HVPE로 성장한 층에 균열이 발생하기 쉽습니다.

Akira USUI는 HVPE 공법을 기반으로 한 패턴 기판 기술을 선보였습니다. 처음에는 MOCVD를 사용하여 사파이어 기판 위에 두께 1~1.5μm의 얇은 GaN 에피택셜 층을 성장시켰습니다. 이 층은 20nm 두께의 저온 GaN 버퍼층과 고온 GaN층으로 구성되었습니다. 이어서, 430°C에서 에피택셜 층 표면에 SiO2 층을 증착하고, 포토리소그래피를 통해 SiO2 필름 위에 윈도우 스트라이프를 생성했습니다. 스트라이프 간격은 7μm였으며 마스크 폭은 1μm에서 4μm까지였습니다. 이러한 수정을 통해 그들은 두께가 수십 또는 수백 마이크로미터로 증가하더라도 균열이 없고 거울처럼 매끄러운 상태를 유지하는 2인치 직경의 사파이어 기판에 GaN 에피택셜 층을 생성할 수 있었습니다. 결함 밀도는 기존 HVPE 방법의 109-1010 cm^-2에서 약 6×10^7 cm^-2로 감소되었습니다. 그들은 또한 성장 속도가 75μm/h를 초과하면 샘플 표면이 거칠어진다는 점에 주목했습니다[8]. 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     그림 6: 패턴화된 기판의 도식

5. 요약 및 전망

엄청난 시장 수요는 의심할 여지 없이 GaN 관련 산업 및 기술의 상당한 발전을 가져올 것입니다. GaN의 산업 체인이 성숙하고 개선됨에 따라 GaN 에피택시의 현재 과제는 결국 완화되거나 극복될 것입니다. 향후 개발에서는 새로운 에피택셜 기술과 우수한 기판 옵션이 도입될 가능성이 높습니다. 이러한 발전을 통해 다양한 응용 시나리오의 특성을 기반으로 가장 적합한 에피택셜 기술과 기판을 선택할 수 있어 경쟁력이 높은 맞춤형 제품을 생산할 수 있습니다.**

참고자료:

[1] '주목' 반도체 소재-질화갈륨(baidu.com)

[2] Tang Linjiang, Wan Chengan, Zhang Minghua, Li Ying, 와이드 밴드갭 반도체 재료 SiC 및 GaN의 연구 현황, 군사 및 민간 겸용 기술 및 제품, 2020년 3월, 437호, 21-28호.

[3] Wang Huan, Tian Ye, 실리콘 기판의 질화갈륨의 대규모 불일치 응력 제어 방법에 관한 연구, 과학 기술 혁신 및 응용, 2023년 3호

[4]L.Liu, J.H.Edgar, 갈륨 질화물 에피택시를 위한 기판, 재료 과학 및 공학 R, 37(2002) 61-127.

[5] P.Ruterana, Philippe Vermaut, G.Nouet, A.Salvador, H.Morkoc, MBE에 ​​의한 6H-SiC의 (0001)Si 표면에서 2H-GaN 성장의 표면 처리 및 층 구조, MRS Internet J. 질화물 반도체. 결의안 2(1997)42.

[6]M.A.산체스-가르시아, F.B. Naranjo, J.L.Pau, A.Jimenez, E.Calleja, E.Munoz, Si(111)에서 성장한 GaN/AlGaN 단일 이종접합 발광 다이오드의 자외선 전기발광, Journal of Applied Physics 87,1569(2000).

[7] Xinqiang Wang, Akihiko Yoshikawa, GaN, AlN 및 InN의 분자빔 에피택시 성장, 결정 성장 및 재료 특성화의 진행 48/49 (2004) 42-103.

[8] 우스이 아키라, 스나카와 하루오, 사카이 아키라 및 야마구치 아츠시, 수소화물 기상 에피택시에 의한 낮은 전위 밀도를 갖는 두꺼운 GaN 에피택시 성장, Jpn. J. Appl. 물리. Vol. 36(1997) pp.899-902.