고효율 파워 반도체 소자를 위한 Mg-doped AlN 에피층의 HVPE 성장

배숭근,전인준,양민,이삼녕,안형수,전헌수,김경화,김석환,Bae, Sung Geun,Jeon, Injun,Yang, Min,Yi, Sam Nyung,Ahn, Hyung Soo,Jeon, Hunsoo,Kim, Kyoung Hwa,Kim, Suck-Whan 한국결정성장학회 2017 韓國結晶成長學會誌 Vol.27 No.6

AlN는 넓은 밴드 갭 및 높은 열전도율로 인해 넓은 밴드 갭 및 고주파 전자 소자로 유망한 재료이다. AlN은 전력 반도체의 재료로서 더 큰 항복전압과 고전압에서의 더 작은 특성저항의 장점을 가지고 있다. 높은 전도도를 갖는 p형 AlN 에피층의 성장은 AlN 기반 응용 제품 제조에 중요하다. 본 논문에서는 Mg이 도핑된 AlN 에피층을 혼합 소스 HVPE에 의해 성장하였다. Al 및 Mg 혼합 금속은 Mg-doped AlN 에피 층의 성장을 위한 소스 물질로 사용하였다. AlN 내의 Mg 농도는 혼합 소스에서 Mg 첨가 질량의 양을 조절함으로써 제어되었다. 다양한 Mg 농도를 갖는 AlN 에피 층의 표면 형태 및 결정 구조는 FE-SEM 및 HR-XRD에 의해 조사하였다. Mg-doped AlN 에피 층의 XPS 스펙트럼으로 부터 혼합 소스 HVPE에 의해 Mg을 AlN 에피 층에 도핑할 수 있음을 증명하였다. AlN is a promising material for wide band gap and high-frequency electronics device due to its wide bandgap and high thermal conductivity. AlN has advantages as materials for power semiconductors with a larger breakdown field, and a smaller specific on-resistance at high voltage. The growth of a p-type AlN epilayer with high conductivity is important for a manufacturing an AlN-based applications. In this paper, Mg doped AlN epilayers were grown by a mixed-source HVPE. Al and Mg mixture were used as source materials for the growth of Mg-doped AlN epilayers. Mg concentration in the AlN was controlled by modulating the quantity of Mg source in the mixed-source. Surface morphology and crystalline structure of AlN epilayers with different Mg concentrations were characterized by FE-SEM and HR-XRD. XPS spectra of the Mg-doped AlN epilayers demonstrated that Mg was doped successfully into the AlN epilayer by the mixed-source HVPE.

광전음극 소자용 GaAs/AlGaAs 구조의 LPE 성장

배숭근,전인준,김경화,Bae, Sung Geun,Jeon, Injun,Kim, Kyoung Hwa 한국결정성장학회 2017 韓國結晶成長學會誌 Vol.27 No.6

본 논문에서는 광전 음극 이미지 센서로 사용될 수 있는 광소자용 재료로 III-V 족 화합물 반도체인 GaAs/AlGaAs 다층 구조를 LPE(Liquid Phase Epitaxy) 방법에 의해 성장하였다. n형 GaAs 기판 위에 수십 nm의 GaAs 완충층을 형성 한 후 Zn가 도핑된 p-AlGaAs 에칭 정지 층(etching stop layer)과 Zn가 도핑된 p-GaAs 층 그리고 Zn가 도핑된 p-AlGaAs 층을 성장하였다. 성장된 시료의 특성을 조사하기 위하여 주사전자현미경(SEM)과 이차이온질량분석기(SIMS) 그리고 홀(Hall) 측정 장치 등을 이용하여 GaAs/AlGaAs 다층 구조를 분석하였다. 그 결과 $1.25mm{\times}25mm$의 성장 기판에서 거울면(mirror surface)을 가지는 p-AlGaAs/p-GaAs/p-AlGaAs 다층 구조를 확인할 수 있었으며, Al 조성은 80 %로 측정 되었다. 또한 p-GaAs층의 캐리어 농도는 $8{\times}10^{18}/cm^2$ 범위까지 조절할 수 있음을 확인하였다. 이 결과로부터 LPE 방법에 의해 성장된 p-AlGaAs/p-GaAs/AlGaAs 다층 구조는 광전 음극 이미지 센서의 소자로서 이용될 수 있을 것으로 기대한다. In this paper, GaAs/AlGaAs multi-layer structure was grown by liquid phase epitaxy with graphite sliding boat, which can be used as a device structure of a photocathode image sensor. The multi-layer structure was grown on an n-type GaAs substrate in the sequence as follows: GaAs buffer layer, Zn-doped p-type AlGaAs layer as etching stop layer, Zn-doped p-type GaAs layer, and Zn-doped p-type AlGaAs layer. The Characteristics of GaAs/AlGaAs structures were analyzed by using scanning electron microscope (SEM), secondary ion mass spectrometer (SIMS) and hall measurement. The SEM images shows that the p-AlGaAs/p-GaAs/p-AlGaAs multi-layer structure was grown with a mirror-like surface on a whole ($1.25mm{\times}25mm$) substrate. The Al composition in the AlGaAs layer was approximately 80 %. Also, it was confirmed that the free carrier concentration in the p-GaAs layer can be adjusted to the range of $8{\times}10^{18}/cm^2$ by hall measurement. In the result, it is expected that the p-AlGaAs/p-GaAs/p-AlGaAs multi-layer structure grown by the LPE can be used as a device structure of a photoelectric cathode image sensor.

혼합 소스 수소화물 기상 에피택시에 의한 AlN 에피층 성장

배숭근,전인준,양민,이삼녕,안형수,전헌수,김경화,이상칠,김석환 한국물리학회 2018 새물리 Vol.68 No.1

A high-quality AlN epilayer as a base for next generation power semiconductor devices was grown by the mixed-source hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method. Mixed-source HVPE is a growth method that used a mixed-source of solid-state semiconductor materials and is different from the existing HVPE method. Various substrates having an influence on the growth of AlN epilayers were analyzed. Changes in the crystal structure and threading dislocation concentrations in AlN epilayers were investigated by using X-ray diffraction (XRD) measurements. In addition, the origin of the defects caused by the lattice mismatch between the grown epilayer and the crystal structure of the substrate was analyzed, and growth characteristics of AlN epilayers grown by using the mixed-source HVPE method were investigated. 차세대 전력 반도체 소자의 기반이 될 양질의 AlN 에피층을 혼합 소스 수소화물 기상 에피택시 (hydride vapor phase epitaxy, HVPE) 방법으로 성장시켰다. 혼합 소스 수소화물 기상 에피택시 방법은 기존의 수소화물 기상 에피택시 방법과는 다르게 고체 상태 반도체 물질들의 혼합 소스에 의해 성장 되어지는 방법이다. 본 논문에서는 성장된 AlN 에피층 내 관통 전위 밀도와 결정구조의 변화가 X선 회절 (X-ray diffraction, XRD) 측정으로 조사 되었다. 또한 성장된 에피층과 기판 결정 구조 사이의 격자 부정합에 의한 결함의 원인을 분석하고, 혼합 소스 수소화물 기상 에피택시 방법으로 기판별 AlN 에피층의 성장 특성을 조사하였다.

HVPE AlN 에피층 성장을 위한 혼합 Ga의 영향에 관한 연구

전인준,배숭근,양민,이삼녕,안형수,전헌수,김경화,이재학,김석환 한국물리학회 2017 New Physics: Sae Mulli Vol.67 No.9

The effect of Ga metal mixed with Al metal was investigated in the source zone for the growth of AlN epilayers by using a mixed-source HVPE (hydride vapor phase epitaxy). A mixed source with Al metal and a little Ga metal was used as source materials for the growth of AlN epilayers, and it was heated to 700 $^\circ$C by using an RF heating coil. When only Al metal was used as source materials, nitridation occurred on the surface of the Al source when the source temperature was high, which prevented the Al from reacting with HCl. When Al+Ga mixed metal was used as source materials, nitridation of the Al metal was prevented due to the presence of the mixed Ga metal, and AlN epilayers were grown by using Al+Ga mixed-source HVPE in a nitrogen atmosphere. 본 논문에서는 혼합 소스(mixed-source)를 사용한 수소화물 기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy, HVPE) 방법으로 AlN 에피 성장시 Al과 혼합된 Ga 금속의 영향과 메커니즘을 알아보았다. Al 금속에 소량의 Ga 금속을 첨가한 혼합 소스를 성장 원료로 하여 700 $^\circ$C로 소스 영역을 가열 시켜 AlN 에피층을 성장 시키고, Ga 첨가 유무에 따른 에피층의 성장 결과를 비교하였다. 그 결과 Al 금속만을 사용하여 성장시킬 때는 Al 금속의 질화 반응으로 인하여 AlN 에피층 성장이 억제되었고, 소량의 Ga을 첨가하여 Al+Ga 혼합 금속을 사용한 경우에는 Ga에 의해 원활하게 AlN 에피층이 성장 될 수 있었다. 혼합된 Ga이 소스 영역에서 Al의 질화 반응을 막아주어 원활한 화학 반응이 일어나는 중요한 요소임을 확인하였다.

혼합-소스 수소화학기상법에 의한 청색발광다이오드 제작

전헌수,전인준,배숭근,이삼녕,양민,안형수,유영문,이상칠,김석환 한국물리학회 2017 New Physics: Sae Mulli Vol.67 No.4

We manufacture a vertical-type blue light-emitting diode (LED) without a substrate by using a mixed-source Hydride-vapor-phase epitaxy (HVPE) method. The chip-growth process is completed by using only four steps; photolithography, epitaxial layer growth, sorting, and metallization. All of the epitaxial layers in a chip are grown consecutively in the growth zone by using both a multi-sliding boat system filled with the mixed-source materials in sequence at the source zone inside and a RF heating coil to control the temperature such that T $>$ 660 $^{\circ}$C at the source zone outside in the HVPE installation. A designed pocket-type shadow mask in the alloy process can be used to deposite the electrodes on both the upper and the bottom sides of the 250 bare chips at one time over 10 minutes at 350 $^{\circ}$C. The main peak in the EL measurement for the developed vertical-type LED appears at 450 nm. The turn-on voltage of the vertical-type LED is about 3.7 V. Measurements of the various characteristics of the light emitted by this vertical-type blue LED without a substrate, but with the GaN active layers, showed the mixed-source HVPE method to be a promising method for febricating solid-state light sources. 혼합-소스 수소화학기상법 (hydride vapor phase epitaxy, HVPE)에 의해 기판이 없는 수직형 청색 발광다이오드를 제작하였다. 칩은 광리소그래피, 에피층 성장, 분류 및 금속화를 포함해서 총4개의 단계로 이루어 진다. 칩내 모든 에피층 들은 수소화학기상법 장치 내 소스 존 외각에 온도를 T $>$ 660 $^{\circ}$C으로 제어하기 위한 RF 가열코일과 소스 존 내부에 순서대로 혼합소스 물질이 채워진 다중-스라이딩 보트 계를 사용하여 성장 존에서 연속적으로 성장 시킨다. 전극 증착 과정에서 고안된 포켓형 세도우 마스크를 사용하여 350 $^{\circ}$C에서 10분 동안 동시에 250개의 원시 칩의 위 면과 아래 면에 전극을 정착할 수 있다. 제작된 수직형 발광다이오드에 대한 전자발광 (electro luminescence, EL) 측정 결과 중심파장이 450 nm의 파장을 보였다. 또한 turn-on 전압은 3.7 V로 측정되었다. GaN 활성 층을 가진 기판 없는 수직형 발광 다이오드에 대한 빛 방출의 근거한 여러 특성의 측정으로부터 혼합-소스 수소화학기상법 방법이 고체상태 광원의 제작 방법 중의 하나로 여겨진다.

혼합소스 HVPE 방법에 의한 PSS 위의 AlN 에피층 성장

전인준,이찬빈,배숭근,이강석,양민,이삼녕,안형수,전헌수,유영문,김석환 한국물리학회 2016 새물리 Vol.66 No.11

AlN has many advantages for ultraviolet (UV) light-emitting diodes (LEDs). But an AlN epilayer has not been successfully grown on a PSS (patterned sapphire substrate). In this research, AlN epilayers were grown on cone-shape c-plane PSS by using a mixed-source HVPE (hydride vapor-phase epitaxy). The surface morphologies and the crystal structures of the AlN epilayers grown by using a mixed source with metallic Al and Ga sources were investigated by SEM (scanning electron microscopy) and XRD (X-ray diffraction). SEM images showed that the flat c-plane of an AlN epilayer was grown on a PSS around a cone and that the growth rate of the AlN epilayer increased when the Ga/Al ratio of the mixed source was increased. The XRD results showed that c-plane AlN was grown dominantly by using mixed sources with low Ga/Al ratios below 0.1, GaN epilayers were dominantly grown by using mixed sources with high Ga/Al ratios above 0.4. On the other hand, the growth rate for a high Ga/Al ratio was higher than that for a low Ga/Al ratio. Therefore, to optimized Ga/Al ratios of 0.05 $\sim$ 0.2, one can expect to grow in a short growth time a single-crystal flat AlN epilayer on a PSS. 본 연구에서는 원뿔 형태의 PSS(patterned sapphire substrate) 위에 혼합소스를 사용한 수소화물 기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)로 AlN 에피층을 성장시켰다. Al 금속 원료에 Ga 을 첨가한 혼합소스 Ga/Al 비율을 변화하였으며 성장된 AlN 에피층의 표면형상과 결정성을 확인하였다. 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 관찰한 결과 PSS를 덮는 c면 AlN 평탄면이 형성됨을 확인하였고, Ga/Al 비가 늘어날수록 성장률이 증가하는 것을 보았다. X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 측정결과 Ga/Al 비가 0.1 이하로 낮은 혼합소스로 성장시킨 경우 AlN의 c면 성장이 우세하게 성장 되었고, Ga/Al 비가 0.4 이상인 경우에는 GaN 에피층이 빠르게 성장됨을 확인하였다. 반면 Ga/Al 비가 높아지면서 에피층의 성장률도 증가하였다. 이러한 결과들을 통해 최적화된 Ga/Al 비율이 0.05 $\sim$ 0.2의 혼합소스를 사용한다면 PSS 위에 평탄한 단결정 AlN 에피층을 성장시킬 수 있음을 알 수 있었다.

높은 Al 조성의 HVPE-AlGaN/Si (111) 에피층의 성장

전인준,이강석,배숭근,양민,이삼녕,안형수,전헌수,유영문,김석환 한국물리학회 2016 새물리 Vol.66 No.9

In this study, AlGaN epilayers with high Al contents were grown on Si (111) substrates by using a mixed source HVPE (hydride vapor phase epitaxy) method. A mixed source of Ga and Al metals was used, and AlGaN epilayers were grown by using various source-zone temperatures. The crystal quality and the Al content of the AlGaN epilayer were investigated by using XRD (X-ray diffraction) and EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy). The experimental results for the Al contents of the AlGaN epilayers showed that the Ga content gradually increased when the source-zone temperature was increased to a temperature above 700 $^\circ$C. We obtained a flat AlGaN epilayer by using an optimized growth time and growth rate. We expected the growth of a single-crystal AlGaN epilayer on a Si (111) substrate for applications to power or UV LED devices to be possible by using mixed source HVPE. 본 연구에서는 혼합소스를 적용한 수소화물 기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy, HVPE) 방법으로 Si (111) 기판 위에 Al 조성이 85%에서 100%인 AlGaN 에피층을 성장시켰다. Ga 금속과 Al 금속의 혼합소스를 사용하여 HVPE 방법의 장점인 소스 영역의 온도를 변화시켜 시료를 제작하였다. X선 회절(X-ray diffraction, XRD)과 EDS(energy dispersive X-ray spectroscopy) 분석을 통해 시료의 결정성과 소스 영역의 온도에 따라 변화하는 Al 조성의 경향을 분석하였다. 소스 영역을 700 $^\circ$C에서 온도를 증가시킬수록 에피층의 Ga 조성이 증가하는 경향을 보였으며, AlGaN 에피층의 Al 조성이 변화하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 AlGaN의 성장률과 성장시간 등의 조절을 통하여 높은 Al 조성을 가진 평탄한 AlGaN 에피층을 성장할 수 있었다. 따라서 혼합소스 HVPE 방법을 통해 높은 Al 조성을 가진 단결정 AlGaN을 성장시켜 전력소자 또는 deep UV 소자 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.