반도체 AlN: 빠르게 부상하는 새로운 III-질화물 시장|Huaqing Chinei.com

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반도체 AlN: 빠르게 부상하는 새로운 III-질화물 시장

Dec 11, 2024

추상적인

질화알루미늄(AlN)은 우수한 전기적, 광학적, 열적 특성으로 인해 고성능 전력 전자 장치, 극한 환경 반도체 장치, 무선 주파수(RF) 장치 및 심자외선(DUV) 광전자공학을 비롯한 가까운 미래의 응용 분야에서 큰 관심을 끄는 재료입니다. [1-3]. 일반적으로 사용되는 다른 반도체(예: Si, SiC, GaN 및 β-Ga2O3)와 비교하여 AlN은 가장 높은 임계 전기장 및 이론적 항복 전압을 가지며, 이는 가장 높은 Baliga 및 Johnson의 성능 지수를 갖습니다. ]. AlN은 또한 상업적으로 이용 가능한 기판을 갖춘 반도체 중에서 가장 높은 포화 속도와 열 전도율 중 하나를 가지고 있습니다[3]. 그러나 AlN은 전통적으로 상당한 도핑을 통해 반도체로 변환될 수 없는 절연체 역할만 해왔습니다. 우리는 최근 각각 Be 및 Si 도펀트를 사용하여 p형 및 n형 AlN 모두에 대해 상당한 벌크 도핑(1018 cm-3 이상의 캐리어 농도)을 입증했습니다[1,2]. 이러한 결과로부터 우리는 AlN PN 다이오드의 정류 및 6V 턴온도 시연했습니다[2,3]. 초기 트랜지스터 구조는 n 채널 장치의 경우 VDS=10V에서 350mA/mm 이상의 전류 밀도를 나타내고 p 채널 장치의 경우 VDS=30V에서 ~30mA/mm를 나타내며 훨씬 더 빠른 개선이 예상됩니다. AlN 장치를 지원하기 위한 기존 인프라와 높은 열 전도성을 갖춘 6.1eV 밴드갭 재료로 가능한 성능 도약을 고려할 때, AlN 시장은 많은 장치가 동시에 개발되어 전체 생태계 비용을 낮추고 최고의 성능을 제공하면서 빠르게 발전할 것으로 예상됩니다. 현재까지 반도체 플랫폼.

소개

왜 또 다른 반도체 생태계를 개발해야 할까요? 표 1에 설명된 대로 AlN은 상업적으로 이용 가능한 기판을 사용하는 모든 반도체 중 가장 큰 밴드갭을 가지며, 이는 오늘날 가장 성공적인 두 가지 와이드 밴드갭 반도체인 GaN 및 SiC의 거의 두 배입니다. 이렇게 훨씬 더 큰 밴드갭은 가장 높은 임계 필드와 Baliga 및 Johnson의 성능 지수를 모두 갖춘 AlN을 통해 성능이 크게 향상됩니다. AlN은 현재 원자외선 광학(~200 nm 파장 LED, 레이저 및 광검출기)용으로 알려진 유일한 반도체 솔루션입니다. RF 및 전력 스위칭 전자 장치에서 AlN은 RF 및 전력 전자 장치의 지배적인 역할을 하는 성숙한 GaN 및 SiC 와이드 밴드갭 반도체와 비교하여 장치 성능의 혁신적인 개선 이상의 기능을 제공합니다. 또한 AlN은 동생인 GaN과 생태계 인프라(기판, 에피택시 도구, 제조 도구, 공급망 등)를 공유하므로 개발 비용은 초기 단계부터 성숙 단계까지 반도체를 개발하는 데 일반적으로 필요한 비용의 작은 부분입니다. 그러나 GaN과 달리 강력한 PVT(물리적 증기 수송) AlN 기판 기술이 존재하며(2인치가 일반적이며 4인치가 시연되었지만 아직 판매되지 않음) SiC PVT 경험에서 차용한 알려진 비용 및 시간 모델을 사용하여 6-8을 제안합니다. 수요가 추가 투자를 보장한다면 웨이퍼는 2030년까지 출시될 수 있습니다. 마지막으로 AlN은 중요한 기술 혁신이 아닌 엔지니어링 시간만 필요로 하는 개발을 통해 오늘날 여기에 있습니다.

신흥 시장

AlN에는 세 가지 명백하고 단기적인 시장이 존재합니다: 광전자 공학(특히 방출체); 스위칭 전력 전자 장치; 그리고 RF 전자공학.

광전자공학

최근 몇 년 동안 DUV LED는 이 파장이 바이러스 및 박테리아 유기물에 의해 쉽게 흡수되기 때문에 ~270nm를 목표로 삼았습니다. 이 파장은 흡수 강도와 바이러스/박테리아 종의 복제를 방해하는 경향을 설명하는 "소멸 곡선"의 "a" 피크에 있습니다. 그러나 훨씬 더 민감한 피크는 200nm 부근의 소멸 곡선에 존재하며 이는 AlN 방출 피크와 잘 일치하는 바이러스 및 박테리아 종에 대한 보다 효율적인 살균 수단을 나타냅니다. 이러한 이유로 AlN DUV LED는 큰 관심을 받고 있지만 아직 시연되지 않았습니다. 강력한 DUV 광원의 개발은 인간과의 상호작용에 대한 걱정 없이 사실상 모든 표면의 광학 살균을 가능하게 할 것입니다. 200nm의 빛은 피부의 죽은 층에 흡수되어 피부암을 덜 유발한다는 점에서 270nm의 빛보다 안전합니다.

스위칭 전력 전자 장치

많은 전자 응용 분야에서 AlN은 성능이 떨어지는 반도체에는 현재의 에피택셜 기술로는 쉽게 달성할 수 없는 비현실적인 장치 두께가 필요하다는 실제 현실로 인해 초고전압 장치를 전환하는 능력 면에서 독보적입니다[3]. 반대로 AlN에는 ~0.7 µm/kV가 필요합니다. , 현재의 에피택셜 도구를 사용하여 수십 kV의 장치를 실용적으로 만듭니다. 상업용 전력 전자 시장에 대한 보수적인 채택 상태를 고려할 때 국방부가 조기 상업적 채택에 더 가능성이 높은 후보가 될 것입니다. 고전압 DC-DC, AC-DC 및 DC-AC 컨버터는 끊임없이 증가하는 전압 버스 작동을 추구하는 PEBB(전력 전자 빌딩 블록) 모듈식 시스템을 포함한 미래 전자 시스템에 매우 중요합니다. AlN의 경우 20kV PEBB는 이론적으로 현재 SiC 기술의 70μm가 넘는 에피택시에 비해 ~ 14μm의 에피택시가 필요하므로 비용과 장치 설계 제약이 크게 낮아집니다. 더욱이, AlN에 의해 가능해진 변환 빈도의 증가는 PEBB를 대상으로 하는 모듈식 시스템에서 관련 반응성 구성요소를 더 작고 다루기 쉽게 만들어 시스템 크기를 낮출 것입니다. 많은 kV 솔리드 스테이트 변압기는 AlN을 통해 활성화되거나 단순화될 수도 있습니다(직렬 연결된 스위치 대신 단일 장치 스위치). 이는 더 높은 전압을 가능하게 하고 그에 따라 더 낮은 전도 손실을 가능하게 하여 이전에는 결코 실용적인 단일 장치 스위칭 기능을 가능하게 하는 더 높은 전압 가능 반도체를 가짐으로써 가능해질 수 있는 많은 전력 애플리케이션 중 일부에 불과합니다.

재료	E_G (eV)	V_포화 (10⁷cm/초)	E_비판적인 @10¹⁶cm^-3 (MV)	열의 전도도 (W/m-K)	존슨 FOM (10¹²V/S)	사용 가능 기판?	N형?	P형?	빛 방사 ?
Si	1.12	1.0	0.3	145	0.48	예	예	예	No
SiC	3.26	2.0	3.1	490	10	예	예	예	No
GaN	3.45	1.4	4.9	253	11	거의	예	예	예
β-Ga2O3	4.8	1.1	10.3	27	18	예	예	No	No
AlN(매개변수 순위)	6.1 (#1)	1.3 (#3)	15.4 (#1)	319 (#2)	32 (#1)	예	예 이 작품!	예 이 작품!	예

RF 전자

AlN은 성능 면에서 GaN과 매우 유사하며 열 및 전압 성능과 p형 전도 측면에서 GaN을 능가합니다. GaN의 93% 포화 속도와 이미 400cm를 초과하는 전자 이동도를 실현했습니다.² /V-sec [3], AlN은 GaN의 입증된 기능에 대한 전류 흐름 방식을 거의 포기하지 않습니다. 그러나 AlN RF 전자 장치의 전력 밀도는 소형 RF 장치에서 열을 효율적으로 분산시킬 수 있는 26% 더 높은 열 전도성으로 인해 더 높아질 수 있습니다. 마찬가지로, AlN은 주어진 장치 길이에 대해 50% 더 높은 전압을 처리할 수 있기 때문에 GaN에 비해 AlN에서 상당한 전력 효율성을 달성할 수 있습니다. 전류 대신 전압을 강조하고 향상된 열 전도성을 통해 열 발생을 줄임으로써 >50W/mm AlN RF 장치가 예상됩니다. 이는 놀라운 성능입니다.

따라서 AlN은 저온, 비평형 에피택시를 통해 가능해진 도핑 기술의 획기적인 발전을 통해 전력 스위칭, 고온 전자 장치, RF 전자 장치 및 광전자 공학에서 극적이고 단기적인 활용을 제공할 수 있는 빠르게 떠오르는 반도체입니다. 그러나 AlN은 모든 와이드 밴드갭 반도체와 마찬가지로 다음과 같은 결함 형성 에너지를 가지고 있습니다.

GaAs 및 Si와 같은 재료에서 발견되는 성장 온도가 아니라 불순물과 결함에 의해 제어되는 페르미 준위 위치에 따라 달라집니다. 따라서 결함과 불순물은 일반적으로 전도성을 달성하기 위한 도핑을 어렵게 만드는 자체 보상을 초래합니다. 우리는 낮은 온도 성장을 사용하는 주요 동인인 낮은 보상 공극 농도를 통해 성장 중에 표면 화학을 제어함으로써 결함 및 불순물 보상을 줄일 수 있음을 발견했습니다. 일반적인 이해와는 달리, 저온, 금속 풍부 진공 공정은 고온, 질소 풍부 방법보다 확산 길이가 더 긴 것으로 나타났습니다[3]. 이 기능을 활용하면 결정 품질을 저하시키지 않고 Silicon-DX 중심 형성을 억제할 수 있습니다.

더욱이, 낮은 온도는 기하급수적으로 낮은 공석 농도로 이어집니다. 따라서 N-공극이 보상 공여체로 작용하는 p형 도핑의 경우 p형 전도성을 달성하려면 저온 성장이 필수적입니다. Si 공여체로 AlN을 n형 도핑할 때 보상용 Al 공극을 줄이기 위한 보완적인 주장이 존재합니다. 첫 번째 원리 계산에서는 AlN 원자가 분할 대역이 우세한 정공 밴드로 식별되고 무거운 정공 밴드와 가벼운 정공 밴드 위의 변칙적인 위치로 인해 더 깊은 격리 수용체 에너지 의미를 갖는 경우에도 GaN보다 낮은 도펀트 농도에서 불순물 밴드가 형성됩니다. GaN의 잘 입증된 불순물 밴드 도핑은 더 넓은 범위의 불순물 농도에 걸쳐 AlN에 적용될 수 있습니다. 이 변칙적인 밴드 구조는 GaN에서 가능한 것보다 훨씬 더 높은 정공 이동성을 촉진합니다. 정공 농도가 ~4.4 × 1018cm-3 및 저항률이 0.045Ω-cm인 P형 AlN과 전자 농도가 ~6 × 1018cm-3 및 저항률이 ~0.02Ω-cm인 n형 AlN이 달성되었습니다.

또한 격리된 수용체 및 공여체 상태에서 확장된 불순물 밴드를 생성하는 능력으로 인해 수용체 및 공여체의 유효 활성화 에너지가 각각 ~37meV 및 ~35-50meV로 추정되었습니다[3-4]. AlN 단극 전자, 양극 전자 및 광학 장치의 미래 세대에 대한 약속입니다.

P-TYPE 약속

동일한 홀 농도(~4x10¹⁸ cm^-3 ), AlN의 정공 이동도는 GaN의 ~10배입니다. 이는 GaN에서는 실용적이지 않은 푸시풀 스테이지 또는 디지털 로직과 같은 양극 광학 및 보완 전자 기술에 대한 가능성을 시사합니다. 초기 트랜지스터 구조는 V에서 350mA/mm 이상의 채널 전류 밀도를 보여줍니다._DSn채널 장치의 경우 =10V, V의 경우 ~30mA/mm_DSp-채널 장치의 경우 =30V로 훨씬 더 많은 개선이 예상됩니다. 이는 상보적 쌍 레이아웃 기하학적 비대칭이 GaN 트랜지스터의 경우 약 100:1인 데 비해 p:n형 AlN 트랜지스터의 경우 약 10:1에 불과하다는 것을 의미합니다. Si 기술에 비해 여전히 크지만 10:1 레이아웃 비대칭을 관리할 수 있어 합리적인 패킹 밀도를 유지하면서 보완 장치를 사용할 수 있습니다.

p형 AlN이 p형 GaN보다 나은 이유는 무엇입니까?

AlN은 p형 전도에 유리한 특이한 밴드 구조를 가지고 있습니다. 특히, AlN에서 분리된 원자가 밴드는 무거운 정공 축퇴 밴드와 가벼운 정공 축퇴 밴드 위에 위치하여 더 깊은 수용체와 상호 작용하는 기본 밴드가 됩니다(참조 1-3에서 사용됨). 이는 분리된 밴드가 불순물 밴드 형성을 통해 형성된 정공의 전달 밴드임을 의미합니다[3]. 이 분할 밴드는 무거운 홀 밴드와 가벼운 홀 밴드보다 더 강한 곡률을 갖기 때문에 홀 유효 질량이 더 작아서 이 분할 밴드에서 홀 이동도가 더 높아집니다[3]. 또한, 유효 질량이 작을수록 불순물 밴드가 GaN에 비해 형성되기 시작하는 도펀트 농도가 약 10배 낮아집니다. 이는 GaN에 비해 AlN의 낮은 도핑에서 불순물 밴드 형성의 이점(증가된 활성화 효율, 더 높은 정공 농도)이 발생한다는 것을 의미합니다.

n형 개선

이전 MOCVD 노력[5-6]은 실온에서 ~1015cm-3 전자 농도로 최대화되었지만 다른 곳[2-3]에 설명된 저온 합성 방법을 사용하면 전자 농도가 6x1018cm-3만큼 높습니다. 달성되었습니다. 이러한 비평형 저온 방법은 높은 전자 농도가 실현되는 유망한 이온 주입 작업에 의해 문헌에서 보완됩니다. 두 방법의 공통점은 도너 도핑을 보상하고 Si가 N[2-3]과의 c축 결합을 끊는 경향을 악화시키는 상당한 공극 생성을 초래할 수 있는 고온을 피한다는 것입니다. 더 높은 도핑 농도가 여전히 가능할 수 있지만, 현재 입증된 도핑 값은 성장된(플라즈마 에칭이 아닌) 재료에 대한 우수한 오믹 접촉을 형성할 만큼 충분히 높습니다.

남아있는 엔지니어링 과제

AlN의 주요 과제는 기초 과학 기반이 아닌 엔지니어링 기반입니다. 이는 충분한 시간과 자원이 있으면 모든 과제를 해결할 수 있음을 의미합니다. 남은 과제 중 가장 중요한 것은 진공 환경에서 불순물을 가져오는 AlN의 경향으로 인해 도핑 반복성을 개선해야 하는 필요성과[1-3] AlN과의 접촉을 개선해야 하는 필요성입니다[2-3]. 그림 1에서 볼 수 있듯이 표준 전자 친화력 모델을 기반으로 사용 가능한 금속의 범위는 AlN과 에너지 면에서 잘 정렬되지 않습니다. 대부분의 반도체는 ~4eV의 전자 친화도를 갖습니다. 어떤 보고서를 믿는지에 따라 AlN의 전자 친화도 χ는 -0.2입니다.< χ <1.9eV. 이로 인해 일부 접촉 이상 현상이 발생합니다. 예를 들어, 실험적으로 p형(예상) 및 n형(예상되지 않음) 접점 모두에 높은 일함수 금속이 사용되었습니다[1-3]. 이 전략이 작동하는 이유는 명확하지 않지만 선택한 금속에 관계없이 강하게 구부러진 쇼트키 장벽이 형성되어 터널 접촉이 형성되는 것과 관련이 있을 수 있습니다. 현재 해군 지원 작업에서는 원인을 조사하고 개선된 접촉 솔루션을 제공하고 있습니다.

준수직 장치(매립된 n형 층에 접촉하기 위한 에칭)에 필요한 플라즈마 에칭된 층에 대한 접촉은 에칭되지 않은 접촉보다 실질적으로 더 나쁩니다(>100배 더 나쁨)[2-3]. 플라즈마 손상 및 표면 오염물질에 대한 에칭 후 청소가 필요하며 현재 연구 중입니다. 디지털 식각[7] 및/또는 GaN에 일반적이지 않은 일반적으로 사용 가능한 플라즈마 화학 물질의 사용은 가능성을 제공할 수 있습니다. 저자가 아는 한, 전도성 벌크 AlN 기판을 연구하는 사람은 아무도 없지만, 이러한 혁신으로 인해 광전자공학 및 전력 스위칭 전자 분야가 응용 분야를 빠르게 확장하고 준수직 장치에 대한 필요성과 접촉 필요성을 우회하게 될 것입니다. 에칭된 표면에. 전도성 웨이퍼 없이 동일한 수직 전도 목표를 달성하기 위한 한 가지 솔루션은 에피택셜 리프트오프를 사용하는 것입니다. 그러나 이 접근 방식은 전체 장치 영역을 제한할 수 있으므로 고전류 장치에 영향을 미칠 수 있습니다.

매우 유망한 접촉 솔루션 중 하나는 구성 등급 접촉을 사용하는 것이지만 이는 여전히 AlN에서 구현되어야 합니다. Amano et al[8]은 최근 0.003 Ω-cm2의 놀라운 비온 저항을 나타내는 높은 Al 조성 AlGaN 다이오드에 대한 조성 등급 n형 및 p형 접촉 층을 시연했습니다. 언뜻 보기에 이는 AlN으로 확장하는 것이 간단해 보이지만, 편광 등급이 자유 캐리어를 생성하지 않고 단지 다른 위치에서 자유 캐리어를 끌어당긴다는 잘 인식되지 않은 사실로 인해 구현이 복잡해집니다. 특히, 분극 등급 영역을 향해 끌어당길 수 있는 자유 전자와 정공의 큰 저장소가 필요합니다. 종종 이러한 캐리어는 표면 상태에서 발생합니다[9]. 그러나 AlN에서는 표면 상태가 Al-산화물에 의해 매우 잘 부동태화됩니다. 따라서 경사 구조에서 100% Al 조성에 도달하는 것이 더 어려울 수 있습니다. 더 많은 연구가 필요합니다.

결론

반도체 AlN, 즉 실질적으로 대량 도핑이 가능한 AlN의 최근 개발은 이전에 실현된 적이 없는 성능을 갖춘 미래의 전자 및 광전자 장치에 대한 흥미를 불러일으켰습니다. 저온, 비평형 방법은 n형 및 p형 전도 모두에 대해 실온 자유 캐리어 농도가 4x1018 cm-3을 초과하는 반도체 AlN을 달성하는 데 성공했으며 기능성 pn 다이오드[2-3] 및 초기(불완전)로 이어졌습니다. ) 인상적인 가능성을 지닌 트랜지스터. 일부 영역은 아직 탐구해야 할 사항이지만 접촉 개선은 가장 시급한 요구 사항이며 기본 과학이 아닌 주로 공학적 과제입니다. 반대로, 전도성 벌크 웨이퍼나 에피택셜 리프트 오프와 같은 후처리 방법을 통해 수직 전도성 장치를 만들려는 노력이 필요합니다.

감사의 말

이 작업은 수상 번호 N00014-17-S-에 따라 해군 연구실(ONR) 종합 대학 연구 이니셔티브(MURI) 프로그램의 "와이드 밴드갭 전력 전자 장치에서 계면 열 전달을 향상시키기 위한 새로운 이론적 패러다임 활용"이라는 제목으로 지원되었습니다. F006은 린 피터슨 대위와 마크 스펙터 박사가 관리합니다. 이 작업은 또한 Ali Sayir 박사가 관리하는 수상 번호 FA9550-21-1-0318에 따라 공군 과학 연구실과 수상 번호 N00014-23-1-2013에 따라 해군 연구실에서 부분적으로 지원되었습니다. 린 피터슨 대위.

참고자료

[1] H. Ahmad, W. A. Doolittle 등, Adv. 교배. 33, 2104497(2021).

[2] H. Ahmad, W. A. Doolittle 등, J. Appl. 물리. 131, 175701(2022).

[3] W. A. Doolittle 등, Appl. 물리. Lett., V123 #7, (2023)

[4] C. M. Matthews, W. A. Doolittle 등, Appl. 물리. 레트 사람. V124 #5, 052102(2024).

[5] M. L. Nakarmi 등, Appl. 물리. Lett., V85, 3769, (2004)

[6] T. Ive 등, Appl. 물리. Lett., V86, 024106, (2005)

[7] P. Shih, W. A. Doolittle 등, Appl. 물리. 레트 사람. V120 #2, 022101, (2022).

[8] T. Kumabe et al., IEEE Trans. 선택된. 개발. 앞서 해보기(2024년 2월)

[9] J. P. Ibbetson, Appl. 물리. Lett., V77 #2, 250–252 (2000)

약어

AlN: 질화알루미늄

MME: 금속 변조 에피택시

MBE: 분자빔 에피택시

MOCVD: 금속 유기 화학 기상 증착

PVT: 물리적 증기 수송

이 기사는 다음에서 재인쇄되었습니다. https://csmantech.org/speaker/amanda-l-tang/

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