AlN을 사용한 극한 온도 장치

AlN 채널이 있는 다이오드와 트랜지스터는 높은 항복 전압을 제공하고 믿을 수 없을 만큼 높은 온도에서 작동합니다.

수많은 인간 활동이 종종 자원 착취에 의해 동기가 부여되어 극한 환경으로 확장되고 있습니다. 이로 인해 지하 깊은 곳, 바다의 깊은 곳, 우주 공간까지 다양한 방향으로 탐사가 이루어졌습니다. 이러한 모든 환경에서 온도는 극심합니다. 금성 표면, 심정 시추 및 작동 중인 엔진 내부 공간의 온도는 300°C를 초과합니다.

이러한 모든 환경에 대해 자세히 알아보려면 센서 배포가 필요합니다. 그러나 가장 확실한 것, 즉 실리콘 기반 제품은 상대적으로 낮은 작동 온도 한계로 인해 작업에 적합하지 않습니다. 이는 이러한 환경에서 우리의 삶을 풍요롭게 하기 위해서는 극한 온도의 전자제품을 개발해야 한다는 것을 의미합니다.

그림 1. 게이트 산화물이 있는 MESFET의 누설 전류 경로와 열 저하 지점.

모든 형태의 반도체 장치가 극한 온도에서 작동할 때 재료, 전극, 게이트 산화물 및 패키징과 관련된 문제에 직면합니다(그림 1 참조). 온도가 증가함에 따라 최대 가전대에서 전도대 최소로 전자가 여기되어 수많은 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 고유 캐리어 농도(그림 2(a) 참조)를 증가시키는 이러한 전자는 장치의 누설 전류를 증가시키고 장치가 꺼지는 것을 방지하므로 해롭습니다. 누설 전류를 줄이기 위한 옵션에는 더 큰 밴드갭 에너지와 더 낮은 고유 캐리어 농도를 갖는 반도체 재료를 도입하거나(그림 2(b) 참조) 채널 이외의 영역에서 전류 확산을 제한하는 것이 포함됩니다. 유효 도너/억셉터 농도와 결함 농도가 낮은 고저항성 층으로 둘러싸인 채널 층을 사용하면 장치의 작동 온도가 높아질 수 있습니다. 또 다른 접근 방식은 JFET 및 BJT와 같은 p-n 접합이 있는 장치를 배포하는 것입니다. 이러한 경우 기본 반도체와의 반응성이 최소화된 내화성 금속을 전극으로 선택하는 것도 중요합니다. 특히 티타늄, 바나듐, 탄탈륨, 몰리브덴, 텅스텐, 백금은 알루미늄, 마그네슘, 구리, 은, 인듐, 금보다 이러한 목적에 더 좋습니다.

 AlN을 사용하는 이유는 무엇입니까?

실리콘보다 밴드갭 에너지가 더 큰 반도체 재료가 많이 있습니다. 여기에는 SiC(3.3eV), GaN(3.4eV), Ga가 포함됩니다.₂O₃ (4.7-5.2 eV), 다이아몬드(5.5 eV) 및 AlN(6.1 eV). Philip Neudeck이 이끄는 NASA 팀은 SiC JFET가 800 °C 이상의 온도에서 작동할 수 있다고 보고했습니다. 이는 의심할 여지 없이 인상적인 결과이지만 밴드갭이 더 넓은 재료는 훨씬 더 높은 온도에 도달할 수 있습니다. 그러나 그 중 상당수에는 심각한 단점이 있습니다. GaN은 10의 높은 유효 도너 농도로 인해 어려움을 겪습니다.¹⁶ cm^-3; p형 Ga를 형성하는 것은 불가능하다₂O₃ 레이어; 다이아몬드는 약 700 °C에서 산소와 반응하기 시작합니다. 이와는 대조적으로 AlN은 뚜렷한 결함이 없으며 열 안정성과 제어 가능한 도핑을 제공합니다. 이러한 특성으로 인해 쓰쿠바 대학의 우리 팀은 극한 온도 장치 개발을 위해 AlN에 모든 관심을 기울여 왔습니다.

역사적으로 AlN은 절연체로만 좋다고 가정되어 왔습니다. 그러나 약 20년 전 NTT의 Yoshitaka Taniyasu와 동료들은 MOCVD를 통해 전기 전도성 AlN 층을 성장시킴으로써 이것이 사실이 아님을 입증했습니다.

이 팀은 426 cm 의 전자 이동도를 기록했습니다.² V^-1 s^-1 실리콘 도핑 AlN 층의 경우, 도펀트 농도 3 x 10¹⁷ cm^-3. 이 연구를 바탕으로 그들은 p형 AlN 성장을 개척하고 210nm 파장의 최초 AlN LED와 준수직 AlN p-n 다이오드를 시연했습니다. 이러한 성공은 최근 AlGaN 및 AlN을 기반으로 한 원자외선 LED의 급속한 개발에 감사드립니다.

그림 2. (a) 고온에서 전자-정공 쌍 생성을 보여줍니다. (b) 상호 온도의 함수로서 실리콘, SiC, GaN, β-Ga2O3 다이아몬드 및 AlN의 고유 캐리어 농도.

연구 커뮤니티에서는 광학 장치뿐만 아니라 AlN 쇼트키 배리어 다이오드와 AlN/AlGaN HEMT를 조사하여 임계 전기장의 잠재적 이점을 조사했습니다. 불행하게도 이러한 장치는 도너와 수용체의 높은 이온화 에너지로 인해 낮은 캐리어 농도로 인해 어려움을 겪습니다. 이는 실리콘의 경우 0.3eV, 마그네슘의 경우 0.6eV입니다. 이로 인해 이 두 도펀트의 캐리어 농도는 해당 농도보다 약 2배 정도 낮아 장치의 전류가 매우 작아집니다. 이 문제를 극복하기 위해 우리 팀은 MIT 및 Aalto University의 연구원과 협력하여 N 극성 AlGaN/AlN 구조에 분극 유도 도핑을 도입하여 새로운 지평을 열었습니다. 자발적 및 압전 분극 덕분에 이러한 형태의 도핑은 전류를 증가시키고 접촉 저항을 낮출 수 있습니다. 분극 유도 도핑을 사용하여 우리는 100mA mm-1 이상의 드레인 전류를 갖는 최초의 N극 AlN 기반 PolFET 및 HEMT를 시연했습니다. 이러한 성공으로 인해 우리는 AlN을 광학 및 전기 장치용 실용적인 반도체로 보게 되었습니다.

이러한 장치를 생산하기 위해 우리는 수많은 재료 공급업체의 도움을 받을 수 있었습니다. 2인치 사파이어 기판의 고품질 AlN 샘플은 Dowa Electronics Materials에서 구입할 수 있으며, 2인치 벌크 AlN은 Stanley 및 Asahi Kasei에서 상업적으로 구입할 수 있습니다.

그림 3. (a) 1600°C에서 어닐링한 후 3μm 두께의 실리콘 주입 AlN 층에서 실리콘, 산소 및 탄소의 불순물 농도에 대한 깊이 프로파일. (b) 어닐링 후 1μm 두께의 마그네슘 주입 AlN 층의 마그네슘 농도의 깊이 프로파일.

 AlN 도핑

반도체의 도펀트 농도를 제어하는 것은 결정 성장 중 불순물의 통합뿐 아니라 열 확산 및 주입일 수도 있습니다. 후자는 정밀한 투여량 제어를 가능하게 하고 도펀트의 높은 측면 균일성을 보장하는 매력적인 기술입니다. 그러나 고용량 주입을 사용하면 결정 격자가 손상되고 캐리어를 보상할 수 있는 높은 농도의 점 결함이 발생하는 경향이 있습니다. 다행스럽게도 이러한 손상의 대부분은 실리콘 주입 n형 AlN 채널을 생산할 때 사용한 후열 어닐링을 통해 복구할 수 있습니다.

표면을 포함하여 AlN 결정의 인상적인 특성 중 하나는 고온에서 견고하며 최대 1700 °C의 질소 가스 하에서 안정성을 갖는다는 것입니다. 이러한 견고성은 주입 손상을 복구할 수 있는 넓은 범위를 제공합니다. 이 프로세스에는 실리콘 주입 AlN 층의 전기적 활성화를 위해 1200 °C 이상의 온도가 필요합니다. 하지만 어닐링 온도를 선택할 때는 재료에 다른 변화가 생길 수 있으므로 많은 생각이 필요합니다. 1400°C 이상에서는 실리콘과 산소 불순물이 위 층 내로 확산됩니다. 질소 가스 하에서 1500°C에서 분해되는 사파이어 기판에서 산소 원자의 확산으로 인해 사파이어 기판의 얇은 AlN 층은 고온 어닐링 후 산소 농도가 높아져 전기적 특성이 저하됩니다.

그림 4. (a) 실리콘 주입 AlN 채널이 있는 쇼트키 배리어 다이오드의 단면. Ni/Au 양극 및 Ti/Al/Ti/Au 음극. (b) 27°C ~ 827°C에서 AlN 쇼트키 배리어 다이오드의 전류 밀도-전압 특성.

MIT, Aalto University, TNSC 및 Dowa Electronics Materials와의 협력을 통해 AlN에서 실리콘, 산소 및 마그네슘 원자의 확산을 조사했습니다(그림 3 참조). 우리의 조사에 따르면 사파이어 기판에서 확산되는 산소 원자는 3μm 두께의 AlN 층을 사용하여 어닐링한 후 채널 층에 도달할 수 없는 것으로 나타났습니다. 이를 통해 우리는 실리콘과 마그네슘 주입이 포함된 전기 전도성 AlN 층에 선호되는 어닐링 온도 범위가 각각 1200~1600°C 및 1400~1500°C라는 결론을 내릴 수 있었습니다. 이 지식을 통해 우리는 최초의 AlN 채널 트랜지스터를 시연할 수 있었습니다.

장치 제조에 에피택셜 성장 및 고온 어닐링과 같은 열 평형에 가까운 조건이 포함되는 경우 이온화 에너지가 250-320 meV인 깊은 상태의 형성이 선호됩니다. 이는 실리콘 기증자의 자체 보상으로 이어지는 경향이 있으며 이는 우리의 결과와 일치하는 상황입니다.

한편, 이온 주입과 같은 비평형 공정을 사용하면 이온화 에너지가 64-86 meV인 얕은 공여체의 인구가 증가할 수 있습니다. 이로 인해 노스캐롤라이나 대학교와 Adroit Materials의 Hayden Breckenridge와 동료들은 상대적으로 낮은 온도인 1200°C에서 실리콘 주입 및 사후 어닐링을 통해 전도성이 높은 AlN 층을 생성하게 되었습니다. 교토 대학에서 나온 또 다른 고무적인 결과는 AlN의 대체 마그네슘 수용체 결합 에너지가 250-410 meV에 불과하다는 것입니다. 이는 일반적인 MOCVD 성장 AlN 층에 있는 마그네슘 수용체의 이온화 에너지보다 훨씬 작은 값입니다. 종합적으로 말하자면, 이러한 결과는 실리콘과 마그네슘이 도핑된 AlN에서 비평형 공정 조건을 재현 가능하고 쉽게 제어할 수 있다면 성능이 크게 향상된 전자 및 광학 장치의 가능성을 열어줄 수 있음을 나타냅니다.

그림 5. (a) 실리콘 주입 AlN 채널이 있는 MESFET의 개략적인 단면. (b) 727°C에서 AlN MESFET의 DC 출력 특성.

 AlN의 전기적 특성

AlN 기반 장치의 전기적 성능을 개선하려면 낮은 캐리어 농도로 인해 손상되는 n형 및 p형 AlN 층의 높은 저항성을 해결하는 것보다 더 많은 작업이 필요합니다. 또한 전자 친화력이 작아서 발생하는 높은 접촉 저항 문제도 해결해야 합니다.

AlN에서는 실온에서 저항 접촉을 만드는 것이 특히 어렵습니다. 전압 강하는 쇼트키 장벽의 높이에 의해 결정되며, 이는 금속 일함수와 반도체 전자 친화력 간의 차이에 따라 달라집니다. 전극 재료의 적절한 선택을 통해 전위 장벽 높이를 낮추어 오믹 접촉을 생성하는 것이 가능합니다. n형 AlN에 대한 옵션으로는 티타늄, 알루미늄, 바나듐 및 몰리브덴이 있으며, p형 AlN에 대한 옴 접촉에는 팔라듐과 NiO를 사용할 수 있습니다.

반도체 재료에 과도한 도핑이 미치는 영향 중 하나는 공핍 영역 폭이 감소하여 전위 장벽을 통과하는 터널링이 발생한다는 것입니다. 최상부 AlN 표면의 진한 도핑은 옴 접촉에 매우 중요합니다. 그러나 AlN 층의 실리콘 및 마그네슘 도펀트 농도는 약 10으로 제한됩니다.¹⁹ cm^-3, 아마도 보상 결함의 형성으로 인해 전계 방출 터널링에 대한 전망은 없습니다.

반도체 구조의 캐리어 농도와 캐리어 이동도를 결정하기 위해 연구자들은 홀 효과 측정을 사용하는 경향이 있습니다. 이러한 측정에는 저항성 동작이 필요하므로 일부 연구에서는 과도하게 도핑된 GaN 접촉 층을 사용했습니다. 이를 통해 실온과 고온 모두에서 AlN의 전기적 특성을 측정할 수 있었습니다. 다른 것들과 함께 우리는 고온에서 캐리어 농도와 캐리어 이동도를 평가하여 각각 200 °C 및 500 °C 이상의 온도에서 n형 및 p형 AlN에 대한 값을 얻었습니다.

그림 6. 다른 최첨단 (a) 쇼트키 배리어 다이오드 및 (b) FET를 사용하여 AlN 장치의 전류 온-오프 비율 대 측정 온도를 비교하는 벤치마킹 플롯.

이 연구를 수행하면서 우리는 고온 측정과 관련된 새로운 문제를 발견했습니다. 극한의 온도에 대한 본딩 및 패키지 기술이 부족하여 프로브 스테이션을 사용해야 했습니다. 또한 일반 프로브 팁은 고온에서 성능이 저하된다는 사실도 발견했습니다. 보고된 대부분의 장치는 최대 작동 온도가 500 °C를 넘지 않으며, 이는 이보다 높은 온도에서는 전기적 특성 측정이 신뢰할 수 없음을 의미합니다.

Dowa Electronics Materials와 협력하여 우리는 고진공에서 최대 측정 온도 900 °C를 제공하는 고온 프로브 시스템을 사용하여 사파이어 기판의 3μm 두께 AlN 층의 전기적 특성을 평가했습니다. 이러한 노력을 위해 우리는 n형 전도도를 얻기 위해 실온에서 AlN 층에 실리콘을 주입했습니다. 농도는 2×10¹⁹ cm^-3 150nm 깊이의 박스 프로파일에서. 이러한 실리콘 주입 AlN 층은 이후 1500°C에서 어닐링되었습니다. 그런 다음 950°C에서 소결하기 전에 오믹 접촉을 위해 Ti/Al/Ti/Au 전극을 증착했습니다.

우리의 전극은 877 °C에서 성능이 저하되었습니다. 아마도 Ti/Al과 AlN 사이의 반응으로 인해 발생했을 것입니다. 이로 인해 우리는 극한의 온도에서 저항 접촉에 적합한 금속을 찾게 되었습니다. 우리가 고려할 수 있는 온도에 대해 우리는 127 °C 미만에서는 비선형이고 227 °C 이상에서는 거의 선형인 전류-전압 관계를 관찰했습니다. 227 °C와 827 °C 사이에서 전기적 특성을 평가한 결과 온도가 증가함에 따라 시트 저항과 접촉 저항이 감소하는 것으로 나타났습니다. 227 °C에서 627°C까지 온도가 증가함에 따라 전자 이동도는 약간 감소하나, 도너 이온화 강화로 인해 전자 농도가 증가하여 고온에서 면저항이 감소하는 것으로 나타났습니다. 이로 인해 우리는 n형 AlN 층이 극한의 온도에서 탁월한 성능을 발휘한다는 결론을 내릴 수 있었습니다.

 다이오드 및 트랜지스터

우리는 사파이어 기판에 실리콘이 주입된 AlN 층을 갖춘 쇼트키 배리어 다이오드와 MESFET를 제작했습니다. 우리의 다이오드는 이전의 모든 기록을 뛰어넘는 827 °C(그림 4 참조)에서 작동할 수 있는 반면, 우리의 트랜지스터는 최대 727 °C(그림 5 참조)에서 작동할 수 있습니다. AlN 쇼트키 배리어 다이오드는 실온에서 610V의 항복 전압을 갖는 반면, 727 °C에서 AlN MESFET의 해당 값은 176V입니다. 우리는 이러한 장치가 단순하기 때문에 실질적으로 실현 가능하다는 점을 지적하고 싶습니다. 구조 및 AlN 층은 대형 저가형 사파이어 기판에서 성장됩니다.

쇼트키 배리어 다이오드와 MESFET을 제작하기 위해 양극 및 게이트 접점에 Ni/Au를 사용했습니다. 우리는 니켈이 열적으로 안정적이며 827°C에서도 AlN과 거의 반응하지 않는다는 것을 발견했습니다. 또한 전기적 특성 측면에서 Ni/Au와 Pt/Au의 차이는 거의 발견되지 않았습니다. 쇼트키 배리어 다이오드의 경우 낮은 고유 캐리어 농도와 열적으로 안정적인 Ni/AlN 인터페이스로 인해 827°C에서도 오프 전류가 작습니다. 그러나 AlN MESFET의 오프 상태 드레인 전류는 하부 도핑되지 않은 AlN 층을 통한 누출과 높은 결함 농도로 인해 727 °C에서 높습니다. 포논 산란으로 인해 고온에서 떨어지는 실리콘 장치의 전류와 달리 AlN 쇼트키 배리어 다이오드 및 MESFET의 순방향 전류는 최대 827°C의 온도에 따라 계속 증가한다는 것을 발견했습니다. 우리는 이것이 전자 농도의 증가와 접촉 저항의 감소에 의해 지배되는 극한 온도에서 AlN 장치의 전류에 기인하며, 전자 이동도의 감소는 부차적인 역할을 합니다.

우리의 AlN 장치 개발은 극한의 온도에서 작동할 수 있는 반도체 장치를 만드는 새로운 길을 열었습니다. 온-오프 비율과 쇼트키 배리어 다이오드 및 FET의 온도 사이에는 상충 관계가 있지만(그림 6 참조), AlN 장치는 개선할 여지가 많습니다. 예를 들어, 호모에피택셜 성장과 JFET 구조의 도입을 결합하여 극한 온도에서 온/오프 비율을 높이는 것이 가능해야 합니다. Ti/Al/Ti/Au 대신 내열성 저항 접점을 도입하면 추가적인 개선이 이루어질 수 있으며, 이를 통해 작동 온도가 877 °C 이상으로 높아집니다.

대부분의 극한 온도 애플리케이션의 경우 IC는 장기간 안정적으로 작동해야 합니다. 이러한 회로는 n채널과 p채널을 갖춘 보완적인 기술로 제작됩니다. 교토 대학의 엔지니어들은 350 °C에서 작동하는 SiC 보완 JFET 로직 게이트를 개발했습니다. 우리는 비슷한 방향으로 연구를 진행하여 극한 환경에서 작동할 수 있는 동종에피택셜 AlN 채널을 갖춘 보완적인 JFET를 생산하기를 희망합니다.

쓰쿠바 대학의 오쿠무라 히로노리(HIRONORI OKUMURA)

~에서 https://compoundsemiconductor.net/article/118570/Extreme-temp_devices_using_AlN