GaN 기반 저온 에피택시 기술

1. GaN 기반 소재의 중요성

GaN 기반 반도체 소재는 넓은 밴드갭 특성, 높은 항복 전계 강도, 높은 열전도율 등의 우수한 특성으로 인해 광전자소자, 전력전자소자, 고주파 마이크로파 소자 제조에 널리 사용됩니다. 이러한 장치는 반도체 조명, 고체 자외선 광원, 태양 광전지, 레이저 디스플레이, 플렉서블 디스플레이 스크린, 이동 통신, 전원 공급 장치, 신 에너지 차량, 스마트 그리드 등과 같은 산업에서 널리 사용되었으며 기술 및 시장은 더욱 성숙해지고 있다.

기존 에피택시 기술의 한계

다음과 같은 GaN 기반 재료의 전통적인 에피택시 성장 기술MOCVD그리고MBE일반적으로 고온 조건이 필요하지만 유리 및 플라스틱과 같은 비정질 기판에는 이러한 재료가 더 높은 성장 온도를 견딜 수 없기 때문에 적용할 수 없습니다. 예를 들어 일반적으로 사용되는 플로트 유리는 600°C를 초과하는 조건에서 부드러워집니다. 저온 수요에피택시 기술: 저렴하고 유연한 광전자(전자) 소자에 대한 수요가 증가함에 따라 외부 전기장 에너지를 이용하여 반응 전구체를 저온에서 분해하는 에피택시 장비에 대한 수요가 높아지고 있습니다. 이 기술은 저온에서 구현이 가능해 비정질 기판의 특성에 적응할 수 있어 저비용, 유연한(광전자) 소자 제조 가능성을 제공한다.

2. GaN 기반 물질의 결정 구조

결정 구조 유형

GaN 기반 재료에는 주로 GaN, InN, AlN 및 이들의 3원 및 4원 고용체가 포함되며 우르츠광(wurtzite), 섬아연석(sphalerite) 및 암염의 3가지 결정 구조가 있으며 그중 우르츠광 구조가 가장 안정적입니다. 섬아연석 구조는 준안정상으로 고온에서는 우르츠광 구조로 변형될 수 있고, 저온에서는 적층 단층의 형태로 우르츠광 구조로 존재할 수 있다. 암염 구조는 GaN의 고압 단계이며 매우 높은 압력 조건에서만 나타날 수 있습니다.

결정면 및 결정 품질의 특성화

일반적인 결정 평면에는 극성 c 평면, 반극성 s 평면, r 평면, n 평면, 비극성 a 평면 및 m 평면이 포함됩니다. 일반적으로 사파이어와 Si 기판에 에피택시를 통해 얻은 GaN 기반 박막은 c면 결정 방향을 갖는다.

3. 에피택시 기술 요구 사항 및 구현 솔루션

기술변화의 필요성

정보화, 지능화로 인해 광전자소자 및 전자소자에 대한 수요는 저렴하고 유연해지는 경향이 있습니다. 이러한 요구를 충족시키기 위해서는 기존의 GaN 기반 물질의 에피택셜 기술을 변화시켜야 하며, 특히 비정질 기판의 특성에 적응할 수 있도록 저온에서 수행할 수 있는 에피택셜 기술의 개발이 필요하다.

저온 에피텍셜 기술 개발

원리를 기반으로 한 저온 에피텍셜 기술물리적 기상 증착 (PVD)그리고화학기상증착(CVD)반응성 마그네트론 스퍼터링, 플라즈마 보조 MBE(PA-MBE), 펄스 레이저 증착(PLD), 펄스 스퍼터링 증착(PSD), 레이저 보조 MBE(LMBE), 원격 플라즈마 CVD(RPCVD), 마이그레이션 강화 잔광 CVD( MEA-CVD), 원격 플라즈마 강화 MOCVD(RPEMOCVD), 활성 강화 MOCVD(REMOCVD), 전자 사이클로트론 공명 플라즈마 강화 MOCVD(ECR-PEMOCVD) 및 유도 결합 플라즈마 MOCVD(ICP-MOCVD) 등

4. PVD 원리를 기반으로 한 저온 에피택시 기술

기술 유형

반응성 마그네트론 스퍼터링, 플라즈마 보조 MBE(PA-MBE), 펄스 레이저 증착(PLD), 펄스 스퍼터링 증착(PSD) 및 레이저 보조 MBE(LMBE)가 포함됩니다.

기술적 특징

이러한 기술은 외부 장 결합을 이용해 저온에서 반응 소스를 이온화함으로써 에너지를 제공함으로써 균열 온도를 낮추고 GaN 기반 소재의 저온 에피택셜 성장을 달성합니다. 예를 들어, 반응성 마그네트론 스퍼터링 기술은 스퍼터링 공정 중에 자기장을 도입하여 전자의 운동 에너지를 높이고 N2 및 Ar과의 충돌 확률을 높여 타겟 스퍼터링을 향상시킵니다. 동시에, 타겟 위에 고밀도 플라즈마를 가두어 기판에 대한 이온 충격을 줄일 수도 있습니다.

도전과제

이러한 기술의 개발로 인해 저렴하고 유연한 광전자 장치를 준비할 수 있게 되었지만 성장 품질, 장비 복잡성 및 비용 측면에서 과제도 직면하고 있습니다. 예를 들어, PVD 기술은 일반적으로 사전 반응을 효과적으로 억제하고 고진공 하에서 작동해야 하는 일부 현장 모니터링 장비(예: RHEED, Langmuir 프로브 등)를 도입할 수 있는 고진공도를 요구하지만 이로 인해 난이도가 높아집니다. 대면적 균일증착이 가능하며, 고진공의 경우 운영 및 유지관리 비용이 많이 든다.

5. CVD 원리를 이용한 저온 에피택셜 기술

기술 유형

원격 플라즈마 CVD(RPCVD), 마이그레이션 강화 잔광 CVD(MEA-CVD), 원격 플라즈마 강화 MOCVD(RPEMOCVD), 활성 강화 MOCVD(REMOCVD), 전자 사이클로트론 공명 플라즈마 강화 MOCVD(ECR-PEMOCVD) 및 유도 결합 플라즈마 MOCVD( ICP-MOCVD).

기술적 장점

이러한 기술은 서로 다른 플라즈마 소스와 반응 메커니즘을 사용하여 GaN, InN과 같은 3족 질화물 반도체 소재를 낮은 온도에서 성장시키는 기술로, 대면적 균일 증착 및 비용 절감에 도움이 됩니다. 예를 들어 원격 플라즈마 CVD(RPCVD) 기술은 ECR 소스를 플라즈마 발생기로 사용하는데, 이는 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있는 저압 플라즈마 발생기이다. 동시에 플라즈마 발광 분광법(OES) 기술을 통해 N2+와 관련된 391nm 스펙트럼은 기판 위에서 거의 감지할 수 없으므로 고에너지 이온에 의한 샘플 표면의 충격을 줄입니다.

크리스탈 품질 향상

고에너지 하전 입자를 효과적으로 필터링하여 에피택셜 층의 결정 품질을 향상시킵니다. 예를 들어 MEA-CVD 기술은 HCP 소스를 사용하여 RPCVD의 ECR 플라즈마 소스를 대체하므로 고밀도 플라즈마 생성에 더 적합합니다. HCP 소스의 장점은 석영 유전체 창으로 인한 산소 오염이 없으며 용량성 결합(CCP) 플라즈마 소스보다 플라즈마 밀도가 높다는 것입니다.

6. 요약 및 전망

저온 에피택시 기술 현황

문헌 연구 및 분석을 통해 기술적 특성, 장비 구조, 작업 조건 및 실험 결과를 포함하여 저온 에피택시 기술의 현황을 개괄적으로 설명합니다. 이들 기술은 외부장 결합을 통해 에너지를 제공하고, 성장 온도를 효과적으로 낮추며, 비정질 기판의 특성에 적응하고, 저비용의 유연한(광) 전자소자를 제조할 수 있는 가능성을 제공한다.

향후 연구 방향

저온 에피택시 기술은 폭넓은 응용 전망을 가지고 있지만 아직은 탐색 단계에 있습니다. 엔지니어링 응용 분야의 문제를 해결하려면 장비 및 프로세스 측면 모두에서 심층적인 연구가 필요합니다. 예를 들어, 플라즈마의 이온 필터링 문제를 고려하면서 더 높은 밀도의 플라즈마를 얻는 방법에 대한 추가 연구가 필요합니다. 저온에서 캐비티 내 사전 반응을 효과적으로 억제하기 위해 가스 균질화 장치의 구조를 설계하는 방법; 특정 캐비티 압력에서 플라즈마에 영향을 미치는 스파크나 전자기장을 방지하기 위해 저온 에피택시 장비의 히터를 설계하는 방법.

예상 기여도

이 분야가 잠재적인 발전방향이 되어 차세대 광전자소자 개발에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다. 연구자들의 뜨거운 관심과 활발한 홍보로 이 분야는 미래의 잠재적인 개발 방향으로 성장하고 차세대 (광전자) 장치 개발에 중요한 기여를 할 것입니다.