고출력 수직형 GaN 다이오드를 위한 공정기술 연구

Abstract

Gallium nitride (GaN)은 빠른 응답속도와 고온 특성을 필요로 하는 응용분야에 적합한 높은 밴드갭을 가지는 반도체 재료이다. 이러한 GaN 반도체의 높은 밴드갭과 전계특성으로 인해 빠른 스위칭 속도와 전력 저손실이 가능한 소자를 구현하는데 유리하며, 지난 5년 전부터 재료와 소자 특성에 대한 연구가 급진전 되어 차세대 고전력 반도체 시장에 유망한 반도체로 주목받고 있다. 물론, 상용화를 위해 해결해야 할 요소들이 많지만 본 논문에서는 수직형 GaN 전력반도체용 에피 소재, 소자공정에 대한 연구를 통해 수직형 GaN Schottky barrier diode (SBD)와 수직형 GaN PIN diode를 구현하여 수직형 GaN 전력반도체의 상용화 가능성을 검토해 보는데 그 의의를 두고 있다. 먼저, 수직형 GaN 에피 성장을 위해서 MOCVD를 이용하여 n+ GaN 단결정 기판 위에 n- GaN 에피를 순차적으로 성장시켰다. 그리고, GaN 에피층에 대한 결정성, 도핑농도, 결함 등의 평가를 위해 XRD, Hall effect, CL, SEM, AFM, TEM, PL, DLTS and SIMS를 활용하였다. GaN 단결정 기판 위에 성장된 에피구조에서 4개 정공트랩의 활성화 에너지로 각각 0.93±0.2 eV (H1), 0.61±0.05 eV (H2), 0.50±0.05 eV (H3), 0.2±0.05 eV (H4) 측정되며, 포획단면적(capture cross-sections)은 각각 3.41x10-14 cm2 (H1), 3.04x10-14 cm2 (H2), 1.35x10-12 cm2 (H3), and 2.90x10-16 cm2 (H4)이다. H4와 H1 정공트랩의 원인은 Ga 결함 또는 Ga 관련 결함과 관련 있으며, H2와 H3 정공트랩은 질소 결함 때문인 것으로 보인다. GaN 단결정 기판과 사파이어 단결정 기판에 성장된 GaN 에피층 결함밀도는 각각 1.18 X 1015 cm-3, 1.52 X 1017 cm-3 이었으며, 사파이어 단결정 기판 위에 성장된 에피층 보다 GaN 단결정 기판 위에 성장된 에피층의 결함밀도가 2 order 더 낮은 에피특성을 가짐을 확인하였다. MESA 에칭 기술은 높은 항복전압을 얻기 위해 중요한 공정기술 중 하나이다. GaN의 다양한 MESA 경사각을 얻기 위해 에칭조건을 달리 했으며, 이를 통해 경사각이 약 40도에서 70도 까지 구현이 가능한 에칭공정을 개발하였다. GaN 단결정 기판의 N Face 부분은 Ti/Al 오믹 메탈의 경우 시간이 지남에 따라 저항의 변화가 확인되어, 850oC RTA 공정을 통해 Ti/Al/Ni/Au 오믹 메탈을 형성시켜 2 x 10-5 Ωcm2 저항값을 얻었다. P-type GaN 오믹 메탈공정의 경우는 Ni/Au와 Pd/Au 공정테스트를 진행하여 ∼10-4 Ωcm2의 오믹 메탈 저항값을 최적화 하였다. 고전압 Edge termination 기술은 고전력 소자를 구현하는데 절대적으로 필요하며, 이 기술과 함께 guard rings, field plate termination, junction termination extensions (JTE) 기술은 Si 전력소자 뿐만아니라 GaN 전력소자에도 적용 된다. 전력 소자의 항복전압을 높이기 위해서 경사각 에칭과 Field-plate edge termination 공정을 적용하여 최적화 했으며, 제작 된 수직형 GaN SBD소자의 forward voltage drop(@ 100A/cm2)은 약 2.8V였으며 최대 항복전압은 약 480V 이다.