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SUMMARY

Contents

목차

제1장 서론 24

제1절 연구개발의 목적 및 필요성 24

1.1.1. GaN-on-SiC 에피소재의 개요 24

1.1.2. 연구개발의 필요성 25

1.1.3. 연구개발의 중요성 및 파급효과 27

1.1.4. GaN-on-SiC 에피소재의 응용분야 31

제2절 연구개발(응용연구)의 범위 35

1.2.1. GaN-on-SiC 에피소재의 응용연구 35

1.2.2. 응용연구 단계의 개발목표 및 주요 결과물 37

제2장 국내외 기술개발 현황 39

제1절 국내 기술개발 현황 39

2.1.1. 국내 기술 동향 및 수준 39

2.1.2. 국내 관련 지식재산권 현황 39

제2절 국외 기술개발 현황 39

2.2.1. 국외 기술 동향 및 수준 39

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 43

제1절 GaN-on-SiC 에피소재 설계기술 43

3.1.1. GaN-on-SiC 에피소재 구조 설계 43

3.1.2. 고내압 GaN-on Sic 에피소재 설계 45

3.1.3. 초고주파 GaN-on-Sic 에피소재 설계 (S-/X-band) 47

3.1.4. 초고주파 GaN-on-SiC 에피소재 설계 (Ka-band) 50

제2절 GaN-on-SiC 에피소재 성장기술 52

3.2.1. Sic 기판소재 분석기술 52

3.2.2. GaN-on-SiC 에피소재 성장기술 65

3.2.3. 고온 MOCVD 에피기술 71

제3절 초고주파 GaN-on-SiC 에피소재 성장기술 85

3.3.1. GaN-on-SiC 에피소재 : S-/X-band 에피기술 85

3.3.2. GaN-on-SiC 에피소재 : Ka-band 에피기술 94

제4절 4" 대구경 GaN-on-SiC 에피소재 성장기술 107

3.4.1. 4" 대구경 에피기술 107

3.4.2. 4" single wafer CCS type MOCVD 에피소재 성장 기술 111

3.4.3. 4" multi-wafer MOCVD 에피소재 성장 기술 115

3.4.4. 4" GaN-on-SiC 에피시제 분석 metrology 128

3.4.5. 4" 고온 MOCVD 에피성장 137

제5절 GaN-on-SiC 에피시제 비교평가 : 상용에피 141

3.5.1. 초고주파 GaN-on-SiC 에피소재 : 1차년도 상용에피 비교분석 141

3.5.2. 초고주파 GaN-on-SiC 에피소재 : 2차년도 상용에피 비교분석 144

제6절 초고주파 GaN-on-SiC 에피소재 특성평가 148

3.6.1. 초고주파 GaN-on-SiC 에피소재 평가패턴 설계 148

3.6.2. GaN-on-SiC 에피소재 평가 단위공정 153

3.6.3. GaN-on-SiC 에피시제 평가공정 159

제7절 4" GaN-on-SiC 에피소재 평가공정 169

3.7.1. 4" S-band GaN HEMT 소자 및 공정설계 169

3.7.2. 4" S-band GaN HEMT 평가공정 173

제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 178

제1절 연구개발 목표의 달성도 178

제2절 관련분야 기술 발전의 기여도 179

4.1. GaN-on-SiC 에피소재 성장기술 179

4.2. GaN-on-SiC 에피소재 평가기술 179

제5장 연구개발결과의 활용계획 182

제6장 참고문헌 184

[표 1.1.1] GaN 및 GaN 에피 성장을 위한 기판의 물성 25

[표 3.1.1] GaN 반도체 성장에 사용되는 다양한 기판 종류에 대한 특성 43

[표 3.2.1] XRT 분석용 SiC 기판정보 59

[표 3.2.2] Pulse-flow를 이용한 AlN 성장조건 70

[표 3.2.3] GaN-on-SiC 에피구조의 XRD 결정성 71

[표 3.2.4] GaN-on-SiC 에피구조의 Hall 측정결과 71

[표 3.2.5] 도핑원(C, Fe, Mg) 종류에 따른 특성 및 장·단점 82

[표 3.3.1] Template 종류에 따른 AlGaN bulk 에피특성 86

[표 3.3.2] AlN insertion layer에 따른 AlGaN bulk 에피특성 87

[표 3.3.3] AlGaN/AlN/GaN FET 에피구조의 Hall 측정결과 88

[표 3.3.4] GaN(c-doping) 성장온도 및 기판에 따른 2-DEG 에피특성 91

[표 3.3.5] AlGaN/AlN/GaN HEMT 에피특성 비교 92

[표 3.3.6] AlN interlayer 성장시간에 따른 2-DEG 특성 95

[표 3.3.7] AlIn(Ga)N barrier 성장온도에 따른 2-DEG 특성 및 표면특성 96

[표 3.3.8] AlIn(Ga)N barrier 성장압력에 따른 2-DEG 특성 및 표면특성 96

[표 3.3.9] 이종접합구조에 따른 2-DEG 특성 및 박막 결정성 비교 98

[표 3.3.10] AlGaN back barrier 유무에 따른 2-DEG 에피특성 99

[표 3.3.11] 성장압력에 따른 AlIn(Ga)N 에피층의 RMS roughness 및 격자상수 101

[표 3.3.12] 성장압력에 따른 AlIn(Ga)N 에피층의 Al, In, Ga 성분비 102

[표 3.3.13] AlIn(Ga)N 에피층의 두께 변화에 따른 2-DEG 에피 특성 102

[표 3.3.14] Al 조성비에 따른 thin AlGaN/GaN 이종접합 에피구조 특성 105

[표 3.3.15] AlIn(Ga)N barrier 성장온도에 따른 2-DEG 특성 및 barrier 특성 105

[표 3.3.16] GaN cappig layer 유무에 따른 2-DEG 특성 105

[표 3.3.17] AlIn(Ga)N barrier 성장온도에 따른 AlIn(Ga)N/GaN 이종접합 에피특성 106

[표 3.4.1] 4" SiC 기판의 표면특성 (5x5㎛ scan) 108

[표 3.4.2] 4" AlN on SiC 표면특성 (5x5㎛ scan) 108

[표 3.4.3] 4" AlN, GaN 결정성(center/average) 및 표면특성 109

[표 3.4.4] 2" sapphire 기판과 SiC 기판위에 성장된 HEMT 에피구조의 Rs 특성 110

[표 3.4.5] 성장압력에 따른 GaN 에피층의 결정성 및 2-DEG 면 저항 특성 113

[표 3.4.6] AlN NL 두께 변화에 따른 GaN 결정성 및 버퍼층 누설전류 특성 114

[표 3.4.7] AlGaN 장벽충의 Al 조성비 변화에 따른 면 저항 특성 115

[표 3.4.8] 홍익대 평가공정에 사용된 에피소재의 2-DEG 특성 115

[표 3.4.9] 4" 기판위에 성장한 HEMT 구조의 두께 및 면 저항 분포특성 116

[표 3.4.10] GaN 에피층의 carbon 농도 및 버퍼층 누설전류 특성 118

[표 3.4.11] Wafer의 위치에 따른 XRR 분석결과 (center 기준 20㎜ off) 119

[표 3.4.12] Wafer의 위치에 따른 2-DEG 전자농도 및 이동도 분포특성 120

[표 3.4.13] 에피소재 평가패턴을 이용한 2-DEG 특성평가 120

[표 3.4.14] AlGaN 장벽층(30㎚) 에피 구조의 면 저항 및 두께 측정결과 122

[표 3.4.15] AlGaN 장벽층(20㎚) 에피 구조의 면 저항 및 두께 측정결과 122

[표 3.4.16] Raman 분석에 의한 GaN 응력 특성 비교 124

[표 3.4.17] PL 분석에 의한 BL 및 YL 특성 비교 124

[표 3.4.18] u-GaN 성 장온도체 따른 sapphire 기판에서 HEMT 특성 125

[표 3.4.19] HEMT 에피구조 Rs 및 결정성 특성 127

[표 3.4.20] PL 분석에 의한 CCS MOCVD BL 및 YL 특성 128

[표 3.4.21] 4H-SiC 기판의 AFM 표면 분석결과 (5 points, 5㎛x5㎛ scan area) 130

[표 3.4.22] 4H-SiC 기판/AlN 성장/HEMT 재성장 이후 AFM 표면 분석결과(5 points, 5㎛x5㎛ scan area) 130

[표 3.4.23] AlN 성장조건 및 HEMT 구조 재성장 이후의 표면특성 분석결과 131

[표 3.4.24] GaN cap-layer를 포함한 HEMT 에피구조의 AFM 표면 분석결과 131

[표 3.4.25] Multi-wafer MOCVD(KANC)에서 성장한 HEMT 구조의 AFM 표면특성 132

[표 3.4.26] Multi-wafer MOCVD 장비의 기준구조 GaN(002) 반치폭 측정결과 132

[표 3.4.27] Multi-wafer MOCVD 장비의 기준구조 GaN(102) 반치폭 측정결과 133

[표 3.4.28] Single-wafer MOCVD 장비의 기준구조 GaN(002) 반치폭 측정결과 133

[표 3.4.29] Single-wafer MOCVD 장비의 기준구조 GaN(102) 반치폭 측정결과 133

[표 3.4.30] AlGaN 성장시간에 따른 XRR 분석결과 (웨이퍼 center 기준 20㎜) 134

[표 3.4.31] AlGaN 성장시간에 따른 XRR 분석결과 (웨이퍼 center) 134

[표 3.4.32] 버퍼층 구조변경에 따른 AlGaN 장벽층의 XRR 분석결과 (웨이퍼 center) 134

[표 3.4.33] Multi-wafer 장비의 에피구조에서 Raman 분석에 의한 GaN 응력 특성 135

[표 3.4.34] Single-wafer 장비의 에피구조에서 Raman 분석에 의한 GaN 응력 특성 136

[표 3.5.1] Cree사의 4" GaN-on-SiC 에피웨이퍼 사양 및 구조도 141

[표 3.5.2] 4" GaN 결정성 특성_(002) & (102) 146

[표 3.5.3] 4" HEMT 에피구조의 Al 조성비 및 균일도 특성 146

[표 3.5.4] 4" HEMT 에피구조의 Rs 및 균일도 특성 147

[표 3.5.5] 4" HEMT 에피구조의 두께 및 균일도 특성 147

[표 3.6.1] 설계된 소자의 다양한 구조변수 149

[표 3.6.2] 수정된 S-band용 소자의 다양한 구조 변수 151

[표 3.6.3] 설계된 X-band용 소자의 구조 변수 151

[표 3.6.4] 설계된 Ka-band용 소자의 구조 변수 153

[표 3.6.5] Hall pattern을 이용한 1차 성장 에피 웨이퍼 평가 비교 161

[표 3.6.6] Hall pattern을 이용한 2차 성장 에피웨이퍼 및 상용 웨이퍼 특성 비교 163

[표 3.7.1] 에피시제 정보 (KANC) 175

[그림 1.1.1] GaN 에피소재 기술 개념도 24

[그림 1.1.2] GaN 에피소재의 물성비교 (v. s. 실리콘, GaAs, SiC) 25

[그림 1.1.3] 서로 다른 반도체 소재들의 주파수 및 출력 특성 (RFMD) 26

[그림 1.1.4] 서로 다른 반도체 소재들의 RF전력증폭기 출력 특성 (Fujitsu) 27

[그림 1.1.5] KF-X 사업 및 AESA 레이더 시제품 (ADD) 28

[그림 1.1.6] GaN RF전력증폭기(민수&군수)의 시장전망 (GaN RF, Yole) 30

[그림 1.1.7] 군수용 주요 X-band 레이더 시스템 31

[그림 1.1.8] GaN 에피소재의 군수/민수 분야 적용 진행과정 31

[그림 1.1.9] RF반도체를 이용한 주요 군수용 응용분야 (GaN RF, Yole) 32

[그림 1.1.10] 군수용 GaN RF소자의 시장전망 (GaN RF, Yole) 32

[그림 1.1.11] 개발목표인 4인치 이상급 GaN-on-SiC 에피소재의 군수 활용분야 32

[그림 1.1.12] 주파수에 따른 민수용 활용분야 33

[그림 1.1.13] GaN RF전력증폭기의 이동통신 시스템 적용 (GaN RF, Yole) 33

[그림 1.1.14] 5G 이동통신 네트워크 개요(밀리미터파 기반 5G 이동통신 기술동향, ETRI) 33

[그림 1.1.15] GaN RF소자의 cell network 적용범위 (GaN RF, Yole) 34

[그림 1.1.16] 개발목표인 4인치 이상급 GaN-on-SiC 에피소재의 민수 활용분야 34

[그림 1.2.1] 4인치 이상급 GaN-on-SiC 에피소재 대표 단면도 35

[그림 1.2.2] AlGaN/GaN 이종접합을 이용한 HEMT 에피구조 36

[그림 1.2.3] GaN-on-SiC 에피소재의 물성, 소자구조 및 전력증폭기의 장점 37

[그림 2.2.1] AlN/GaN HEMT 에피구조 및 소자결과 (HRL Lab.) 40

[그림 2.2.2] GaN RF 전력소자의 주요 업체별 주파수 제품군 (GaN RF, Yole) 41

[그림 3.1.1] GaN 에피 소재의 물성 및 성능지수 특성 43

[그림 3.1.2] GaN-on-SiC 이종접합 성장에 따른 기술적 장벽 44

[그림 3.1.3] GaN-on-SiC 에피소재 성장을 위한 기본적인 에피구조 44

[그림 3.1.4] GaN-on-SiC 에피소재에 대한 상세설계 44

[그림 3.1.5] AlGaN/GaN HEMT 구조에서 누설전류 차단에 대한 모식도 45

[그림 3.1.6] GaN 반도체에 사용되는 다양한 도핑원 종류 및 에너지 준위 45

[그림 3.1.7] C-doped GaN과 u-GaN층으로 구성된 다층구조 에피 모식도 46

[그림 3.1.8] AlxGa1-xN back-barrier 기반의 FET 에너지 밴드구조 및 전자농도 분포특성[이미지참조] 47

[그림 3.1.9] 고내압 GaN-on-SiC 에피소재에 대한 상세설계 47

[그림 3.1.10] AlGaN/GaN 이종접합에 의한 2-DEG층 형성 및 분극특성 48

[그림 3.1.11] AlGaN/GaN 이종접합의 2-DEG 전자농도 특성 48

[그림 3.1.12] AlxGa1-xN 성장조건에 따른 2-DEG 특성변화[이미지참조] 49

[그림 3.1.13] S-/X-band급 에피소재 설계에 따른 세부조건 49

[그림 3.1.14] S-/X-band급 에피소재에 대한 상세설계 49

[그림 3.1.15] 게이트 길이와 장벽층의 두께 비율에 따른 주파수 특성 제한 그래프 50

[그림 3.1.16] RF전력증폭기의 모델링에 의한 차단 주파수(fT) 및 트랜스컨덕턴스(gm) 특성[이미지참조] 50

[그림 3.1.17] Al(InGa)N 사원계 분극 및 2-DEG 특성 비교 51

[그림 3.1.18] Ka-band급 에피소재에 대한 상세설계 51

[그림 3.2.1] XRT 분석 개요 52

[그림 3.2.2] XRT 기법 기반 불량분석 52

[그림 3.2.3] XRT 분석 수행이 가능한 방사광 가속기 연구소 53

[그림 3.2.4] 백색광 기반 XRT 분석방법 (grazing incidence mode) 54

[그림 3.2.5] XRT 실험을 위한 9D 빔라인 시스템 개략도 54

[그림 3.2.6] Laue PT를 이용한 결정 방향 index 확인 55

[그림 3.2.7] 측정 geometry에 따른 XRT 측정기법 분류 56

[그림 3.2.8] 시료 1번(2" SiC, SI-type, MP 밀도~0)에 대한 XRT 측정 56

[그림 3.2.9] 시료 2번(2" SiC, SI-type, MP 밀도~0.58)에 대한 XRT 측정 56

[그림 3.2.10] 시료 1번 및 2번에 대한 디지털 영상 57

[그림 3.2.11] 시료 3번(2" SiC, N-type, Mp 밀도~0) 및 시료 4번(2" SiC, N-type, MP 밀도 ~2.13)에 대한 XRT 측정 57

[그림 3.2.12] 시료 5번(4" SiC, SI-type, Mp 밀도~0.51) 및... 58

[그림 3.2.13] 고해상도 X-선 필름을 이용한 결정결함 부위 미세 관찰 58

[그림 3.2.14] 필름 작업용 암실. (a) 암실외형 (b) 암실 내부 (c) 영상 확인용 light box 59

[그림 3.2.15] 2" SiC 기판에 대한 XRT 측정결과 (시료 : CN2S10202907) 60

[그림 3.2.16] 4" SiC 기판에 대한 XRT 측정결과 (시료 : CN4S12103010) 60

[그림 3.2.17] 고해상도 X-선 필름 기반 XRT 측정 61

[그림 3.2.18] 고해상도 X-선 필름 분석용 set-up 61

[그림 3.2.19] 디지털화 된 고해상도 X-선 필름(Agfa D3SC) 활용 분석 영상 62

[그림 3.2.20] 4" 기판별 XRT 측정결과 비교 62

[그림 3.2.21] XRT 해상도 결정인자 62

[그림 3.2.22] XRT 영상 해상도 향상을 위한 장치 개조 63

[그림 3.2.23] XRT 측정을 위한 빔라인 개략도 64

[그림 3.2.24] Small size X-ray를 이용한 고해상도 XRT 측정 64

[그림 3.2.25] SiC 기판 위치별 고해상도 X-선 토포그램 65

[그림 3.2.26] SiC 기판 위치별 XRT 영상 비교 65

[그림 3.2.27] GaN/SiC 및 GaN/AlN/SiC 에피 구조 성장 개념도 66

[그림 3.2.28] AlN NL층의 두께에 따른 GaN 에피층의 결정성 변화 66

[그림 3.2.29] Ga vacancy를 활용한 반절연성 GaN 에피층 성장 66

[그림 3.2.30] 버퍼층 구조에 따른 누설 전류 특성비교 67

[그림 3.2.31] III족 유량비에 따른 성장속도 및 결정성(002) 특성 67

[그림 3.2.32] 고속성장(@5.4㎛/hr) 시료에 대한 두께 균일도 측정결과 68

[그림 3.2.33] AlN on SiC 시료에 대한 단면 및 표면 측정 (SEM) 68

[그림 3.2.34] GaN on SiC 시료에 대한 단면 및 표면 측정 (SEM) 68

[그림 3.2.35] GaN on SiC 에피 시료에 대한 DC-XRD 분석(002/102) 69

[그림 3.2.36] 3족소스(Ga,Al) 및 5족소스(NH₃)의 CVD 반응원리 69

[그림 3.2.37] Pulse-flow 에피성장 모식도 70

[그림 3.2.38] Pulse-flow를 이용한 AlN 에피층의 표면 및 단면특성 70

[그림 3.2.39] GaN-on-SiC 에피구조의 XRD 결정성(002 & 102) 71

[그림 3.2.40] 버퍼층 특성에 따른 2-DEG 이동도 및 누설전류 특성 72

[그림 3.2.41] AlN 버퍼층 성장온도에 따른 GaN 결정결함 변화특성 72

[그림 3.2.42] HT-MOCVD와 상용급 MOCVD의 특성 비교 73

[그림 3.2.43] AlN NL층을 이용한 GaN 에피 소재 성장온도 profile 73

[그림 3.2.44] 고온 MOCVD를 이용한 GaN-on-SiC 실험개요 74

[그림 3.2.45] 성장온도(750℃~1150℃)에 따른 AlN NL층 성장속도 특성 74

[그림 3.2.46] 성장온도(750℃~1150℃)에 따른 GaN 에피층의 ω-2θ 측정결과 75

[그림 3.2.47] 성장온도(750℃~1150℃)에 따른 GaN 에피층의 XRC 반치폭 결과 75

[그림 3.2.48] 성장온도(750t℃~1150℃)에 따른 GaN 에피층의 표면특성 측정결과 75

[그림 3.2.49] 성장온도(1,050℃~1,300℃)에 따른 AlN NL 성장속도 특성 76

[그림 3.2.50] 성장온도(1,050℃~1,300℃)에 따른 GaN 에피층의 ω-2θ 결과 76

[그림 3.2.51] 성장온도(1,050℃~1,300℃)에 따른 GaN 에피층의 XRC 반치폭 결과 77

[그림 3.2.52] 성장온도(1,050℃~1,300℃)에 따른 AlN 버퍼층의 AFM 측정결과 77

[그림 3.2.53] 성장온도(1,050℃~1,300℃)에 따른 GaN 에피층의 표면특성 측정결과 78

[그림 3.2.54] AlN NL층의 형상에 따른 GaN 에피층 성장형상 모식도 78

[그림 3.2.55] 성장온도(1050℃~1200℃)에 따른 GaN 에피층의 TEM 측정결과 79

[그림 3.2.56] GaN 에피층의 Hall 측정 79

[그림 3.2.57] AlN NL 두께별 에피층의 (002), (102)면 결정성 특성 79

[그림 3.2.58] AlN NL 두께 별 GaN 에피층의 반치폭 변화 경향 80

[그림 3.2.59] AlN NL의 V/III 변화에 따른 표면 AFM 측정결과 80

[그림 3.2.60] AlN NL의 V/III 변화에 따른 GaN 박막 표면 AFM 측정결과 81

[그림 3.2.61] GaN 박막의 XRC 측정결과 81

[그림 3.2.62] 도핑원(C, Fe, Mg) 종류에 따른 GaN 밴드갭 내의 에너지 준위 82

[그림 3.2.63] 성장온도에 따른 GaN 성장속도 및 carbon 도핑농도 변화 특성 82

[그림 3.2.64] 성장온도에 따른 GaN 표면 특성 (SEM, AFM) 83

[그림 3.2.65] 성장온도에 따른 GaN(102) 결정성 특성 83

[그림 3.2.66] C-doped GaN 버퍼층 및 결과 비교 그래프 84

[그림 3.3.1] AlGaN bulk 에피층 특성분석을 위한 에피구조도 85

[그림 3.3.2] AlGaN bulk 에피층 단면 및 표면특성 분석 85

[그림 3.3.3] AlGaN bulk 에피층의 XRD 결정성(DAD) 86

[그림 3.3.4] AlGaN bulk 에피층의 XRD 결정성(TAD) 86

[그림 3.3.5] Type-II 에피구조에 대한 XRD 특성분석(DAD & TAD) 87

[그림 3.3.6] AlGaN/AlN/GaN HEMT 에피구조도 88

[그림 3.3.7] AlGaN/AlN/GaN FET 에피구조의 TAD 분석 88

[그림 3.3.8] HT-MOCVD를 이용한 연구과정 및 온도특성 profile 89

[그림 3.3.9] 성장온도가 다른 AlGaN 장벽층을 삽입한 HEMT 에피구조도 및 2-DEG 특성 89

[그림 3.3.10] (a) AlGaN/AlN/GaN/HT-AlN NL on SiC HEMT 성장구조, (b) AlGaN(23, 29%)/GaN HEMT... 90

[그림 3.3.11] Al 조성비(23%, 29%)를 갖는 AlGaN/AlN/GaN HEMT 구조에서... 90

[그림 3.3.12] AlGaN/GaN HEMT 에피구조의 비접촉 면 저항 측정결과 91

[그림 3.3.13] AlGaN/GaN HEMT 에피구조의 비접촉 면 저항 측정결과 92

[그림 3.3.14] AlGaN buffer HEMT 에피실험결과 93

[그림 3.3.15] AlN/GaN SL back barrier HEMT 에피 실험결과 93

[그림 3.3.16] AlN buffer HEMT 에피성장 분석결과 94

[그림 3.3.17] AlN interlayer에 의한 2-DEG 특성변화 94

[그림 3.3.18] AlIn(Ga)N/GaN 이종접합구조의 TEM 단면사진 95

[그림 3.3.19] AlIn(Ga)N barrier 성장온도에 따른 HR-XRD 측정 및 표면 특성 96

[그림 3.3.20] AlIn(Ga)N barrier 성장압력에 따른 HR-XRD 측정 97

[그림 3.3.21] 성장압력에 따른 AlIn(Ga)N/GaN 이종접합구조의 SIMS 분석결과 97

[그림 3.3.22] 성장압력에 따른 AlIn(Ga)N energy bandgap 측정 97

[그림 3.3.23] AlIn(Ga)N/GaN 이종접합구조 (a) 모식도, (b) HR-XRD measurement... 98

[그림 3.3.24] Back-barrier가 포함된 AlGaN/GaN 이종접합 에피구조 98

[그림 3.3.25] (a) Al 조성비, (b) back-barrier 두께에 따른 에너지 밴드 다이어그램 99

[그림 3.3.26] AlGaN back barrier 유무에 따른 off-state 누설전류 비교 100

[그림 3.3.27] HEMT 소자의 current collapse 특성 100

[그림 3.3.28] HEMT 소자의 항복전압 특성 100

[그림 3.3.29] (a) 격자상수와 밴드갭 관계 (b) AlIn(Ga)N back barrier를 포함한... 101

[그림 3.3.30] 성장압력에 따른 AlIn(Ga)N 에피층의 (002) HR-XRD 측정 101

[그림 3.3.31] 성장압력에 따른 AlIn(Ga)N 에피층의 에너지 밴드갭 102

[그림 3.3.32] AlIn(Ga)N back barrier 두께에 따른 이종접합 에피구조의 표면특성 103

[그림 3.3.33] AlIn(Ga)N back barrier 유무에 따른 off-state 누설전류 비교 103

[그림 3.3.34] 버퍼층 구조에 따른 누설전류 특성 비교 103

[그림 3.3.35] AlIn(Ga)N/GaN HEMT 에피구조의 2-DEG 특성 및 면 저항 균일도 104

[그림 3.4.1] AlN의 성장압력, NH₃ flow rate에 따른 성장속도 107

[그림 3.4.2] PL mapper를 활용한 AlN NL의 run-to-run에 따른 성장속도 107

[그림 3.4.3] AlN 두께 대비 GaN 결정성 (기판별) 108

[그림 3.4.4] AlN 두께 및 GaN 성장압력 대비 GaN 결정성 108

[그림 3.4.5] 성장압력에 따른 (a) 성장속도 및 carbon 도핑량 (b) 성장속도 변화특성 109

[그림 3.4.6] GaN 성장 압력에 따른 (a) 결정성(102), (b) 버퍼층 누설전류 특성 109

[그림 3.4.7] 채널층 구조에 따른 Rs 변화특성 및 Hall 측정결과 비교 110

[그림 3.4.8] 2" sapphire 기판 및 SiC 기판의 HEMT 에피구조 Hall 측정결과 110

[그림 3.4.9] GaN HEMT on SiC 에피구조 및 PL mapping 측정결과 111

[그림 3.4.10] 4" GaN HEMT on SiC 에피구조의 run-to-run 실험결과 111

[그림 3.4.11] 4" GaN HEMT on SiC 에피 웨이퍼의 Rs mapping 측정결과(SC1522) 111

[그림 3.4.12] 4" GaN HEMT on SiC 에피 시제 구조와 에피 두께 mapping 결과 112

[그림 3.4.13] 4" GaN HEMT on SiC 에피 시제 Rs mapping 결과 (SC1528) 112

[그림 3.4.14] 4" GaN HEMT on SiC 에피 시제 XRD 측정결과 (SC1526) 112

[그림 3.4.15] GaN-in-SiC 에피구조와 버퍼 성장압력에 따른 GaN (102) 반치폭 특성 113

[그림 3.4.16] Baseline 에피 구조의 AFM 표면 image (5㎛x5㎛ scan area) 113

[그림 3.4.17] 에피구조와 AlN NL 두께에 따른 GaN (102) 반치폭 특성 113

[그림 3.4.18] AlGaN 장벽층 성장시간에 따른 면 저항 특성 114

[그림 3.4.19] AlGaN 장벽층 성장온도에 따른 면 저항 특성 114

[그림 3.4.20] AlGaN 장벽층의 STEM 분석 이미지 115

[그림 3.4.21] Multi-wafer MOCVD 장비 사진 및 4" 웨이퍼 성장에 대한 모식도 116

[그림 3.4.22] 4" 기판위에 성장한 HEMT 구조의 두께 및 면 저항 분포특성 116

[그림 3.4.23] 4" 사파이어 기판 및 SiC 기판상에 성장된 HEMT 에피 구조도 117

[그림 3.4.24] SiC 기판상에 성장된 HEMT 에피 구조의 GaN 결정성 및 면 저항 특성 117

[그림 3.4.25] Run-to-Run 재현성 테스트를 통한 HEMT 에피구조의 두께 특성 117

[그림 3.4.26] GaN 버퍼층 성장압력에 따른 결정성 및 면 저항 특성 118

[그림 3.4.27] GaN 두께 및 웨이퍼 bow 변화에 따른 GaN 응력 분포특성 119

[그림 3.4.28] AlGaN 장벽층 및 에피구조 단면에 대한 STEM 분석사진 (KANC364) 119

[그림 3.4.29] Wafer-level(수직방향)의 2-DEG 전자농도 및 이동도 분포특성 119

[그림 3.4.30] Wafer-level(수평방향)의 2-DEG 전자농도 및 이동도 분포특성 120

[그림 3.4.31] AlGaN 장벽층의 두께 변화에 따른 면 저항 특성 121

[그림 3.4.32] AlGaN 장벽층의 AFM 표면 분석 image (5㎛x5㎛) 121

[그림 3.4.33] 2종의 기판 vendor에 대한 GaN(002) 및 (102) 결정성 비교 121

[그림 3.4.34] GaN 결정성 평가용 에피시제의 두께 및 면 저항 분포특성 123

[그림 3.4.35] GaN 결정성 평가용 에피 시제의 (002), (102) 반치폭 특성 123

[그림 3.4.36] Cree 에피 대비 KANC 에피 Raman 특성 비교 123

[그림 3.4.37] Cree 에피 대비 KANC 에피 PL 특성 비교 124

[그림 3.4.38] 기판 bow 대비 BL 및 YL PL 특성 124

[그림 3.4.39] 800℃ 성장조건에서 표면 열화 현미경 사진 및 면 저항 분포 특성 125

[그림 3.4.40] CCS MOCVD 장비 사진 및 4" 성장 에피 구조 126

[그림 3.4.41] GaN 에피 구조 carbon depth profile 126

[그림 3.4.42] HEMT 에피구조의 두께 특성 126

[그림 3.4.43] HEXT 에피 Rs map 127

[그림 3.4.44] CCS MOCVD HEMT 에피 PL 특성 127

[그림 3.4.45] 에피성장 단계별로 측정한 AFM 표면 분석 결과 128

[그림 3.4.46] GaN HEMT on SiC 시료의 XRC 측정결과 129

[그림 3.4.47] GaN HEMT on SiC 시료의 XRR 측정결과 129

[그림 3.4.48] 4H-SiC 기판, AlN 성장 및 HEMT 구조 성장 시료에 대한... 130

[그림 3.4.49] AlN 성장 및 HEMT 구조 재성장 이후의 AFM 표면특성 131

[그림 3.4.50] Multi-wafer MOCVD 장비의 GaN(102) 반치폭 분포 특성 132

[그림 3.4.51] KANC HEMT 에피구조의 XRR 분석결과 (center 기준 20㎜) 134

[그림 3.4.52] GaN 두께 및 성장공정에 따른 Raman 특성 비교 135

[그림 3.4.53] HEMT 에피구조의 PL 분석 특성 136

[그림 3.4.54] 4" susceptor design 및 실제 장착사진 137

[그림 3.4.55] AlGaN/GaN HEMT 에피구조 및 성장 후 시편사진 137

[그림 3.4.56] Sample A의 광학현미경 측정결과 138

[그림 3.4.57] Sample B의 광학현미경 측정결과 138

[그림 3.4.58] Sample A, B의 부위별 XRD ω-2θ 측정결과 138

[그림 3.4.59] Sample A, B의 부위 별 XRD rocking curve 측정결과 139

[그림 3.4.60] Sample A, B의 부위별 XRR barrier 두께 측정결과 139

[그림 3.4.61] Sample A, B의 부위별 UV-PL 측정결과 140

[그림 3.4.62] Sample A, B의 wafer 두께 측정결과 140

[그림 3.4.63] Sample A, B의 비접촉 면저항 측정결과 140

[그림 3.5.1] Cree사의 상용 GaN-on-SiC 에피 소재 분석-(I) (DC-XRD) 141

[그림 3.5.2] Cree사의 상용 GaN-on-SiC 에피 소재 분석-(II) (Rs mapping) 142

[그림 3.5.3] Cree사의 상용 GaN-on-SiC 에피 소재 분석-(III) (PL mapping) 142

[그림 3.5.4] Micro-PL 측정장비의 개요도 142

[그림 3.5.5] Cree사의 상용 GaN-on-SiC 에피소재 분석-(IV) (Micro-PL mapping) 143

[그림 3.5.6] Cree사의 상용 GaN-on-SiC 에피소재 분석-(V) (Micro-PL mapping) 143

[그림 3.5.7] Cree사의 4" GaN-on-SiC 에피웨이퍼 사양 및 구조도 144

[그림 3.5.8] 4" GaN-on-SiC 에피웨이퍼 구조도 (KANC_411-2) 144

[그림 3.5.9] 4" GaN 결정성 특성_(002) & (102) 145

[그림 3.5.10] 4" GaN 결정성의 균일도 특성_(002) & (102) 145

[그림 3.5.11] 4" GaN-on-SiC 에피웨이퍼 조성비 균일도_TAD 146

[그림 3.5.12] 4" HEMT 에피구조의 Rs mapping 분석 147

[그림 3.5.13] 4" HEMT 에피구조의 PL mapping 분석 147

[그림 3.6.1] 에피웨이퍼 평가를 위해 설계된 패턴 구조 148

[그림 3.6.2] 공정 평가를 위해 설계된 패턴 148

[그림 3.6.3] 설계된 소자 평가 패턴 및 소자 단면도 149

[그림 3.6.4] 에피소재 평가를 위해 제작된 전체 레이아웃 및 마스크 150

[그림 3.6.5] 에피소재 평가를 위한 공정 순서 및 평가 계획 150

[그림 3.6.6] 수정된 S-band용 에피 소재 평가 패턴 레이아웃 151

[그림 3.6.7] X-band용 HEMT 소자 제작을 위한 레이아웃 152

[그림 3.6.8] 수정된 X-band용 에피소재 평가 패턴 레이아웃 152

[그림 3.6.9] Ka-band 용 HEMT 소자 제작을 위한 레이아웃 153

[그림 3.6.10] Dose 및 AF 변수 조정에 따른 PR 패턴 확인 154

[그림 3.6.11] Positive PR을 이용한 metal 증착 및 lift-off 결과 154

[그림 3.6.12] Laser litho. 장비를 이용한 S-band용 500㎚ 게이트 foot 형상 154

[그림 3.6.13] Dose 조건에 따른 패터닝 및 SiNx 식각을 통한 게이트 foot 형상[이미지참조] 155

[그림 3.6.14] Dose 조건에 따른 Undercut 패턴 형상 155

[그림 3.6.15] ETRI에서 운영중인 E-beam litho. 장비 156

[그림 3.6.16] ETRI E-beam litho. 장비의 align mark 156

[그림 3.6.17] ETRI E-beam litho. 장비의 align mark 배치 상세도 157

[그림 3.6.18] 0.25㎛1/0.12㎛급 T형 게이트 패턴 단면도 및 SEM 이미지 157

[그림 3.6.19] 0.25㎛급 단층 PMMA 및 다층 PMMA/co-polymer/PMMA... 157

[그림 3.6.20] 0.25㎛급 T형 게이트 전극의 단면 SEM image 158

[그림 3.6.21] 0.12㎛ 단층 PMMA 및 다층 PMMA/co-polymer/PMMA... 158

[그림 3.6.22] 0.12㎛급 T형 게이트 전극의 단면 SEM image 159

[그림 3.6.23] Ohmic 열처리 온도에 따른 전류 특성 159

[그림 3.6.24] TLM 전류 특성 및 TLM 결과로 추출된 접촉저항과 표면저항 160

[그림 3.6.25] Circular 및 square 패턴에서 측정된 버퍼층 누설전류 특성 160

[그림 3.6.26] 쇼트키 C-V 특성 및 추출된 전자 농도 분포 특성 160

[그림 3.6.27] 격리거리 20㎛ 패턴에서 측정된 버퍼층 누설전류 특성 161

[그림 3.6.28] 1차 성장 에피웨이퍼로 제작된 소자의 주파수 특성 비교 162

[그림 3.6.29] 격리거리 20㎛ 패턴에서 측정된 버퍼층 누설전류 특성 163

[그림 3.6.30] 2차 성장 에피 웨이퍼로 제작된 소자의 주파수 특성 비교 164

[그림 3.6.31] GaN-on-SiC 에피웨이퍼의 Hall 측정 및 버퍼 누설전류 특성 비교 164

[그림 3.6.32] KANC 3차 성장 에피웨이퍼 및 한국산업기술대학교의 에피웨이퍼로... 165

[그림 3.6.33] KANC 3차 에피시제 및 한국산업기술대학교 에피시제로... 166

[그림 3.6.34] 누설전류 평가 패턴을 이용하여 측정한 에피 소재의 누설전류 특성 166

[그림 3.6.35] 게이트 구조에 따른 소자의 DC 특성 비교 167

[그림 3.6.36] 게이트 구조에 따른 소자의 주파수 특성 비교 167

[그림 3.6.37] E-beam litho. 장비를 이용한 X-band용 250㎚ 게이트 foot 형상 168

[그림 3.6.38] KANC 3차 성장 에피웨이퍼로 제작된 X-band 소자의 주파수 특성 168

[그림 3.6.39] E-beam litho. 장비를 이용한 Ka-band용 120㎚ 게이트 foot 형상 168

[그림 3.7.1] S-band GaN HEMT layout 169

[그림 3.7.2] 특성 평가용 GaN HEMT 공정 흐름도 169

[그림 3.7.3] (주)웨이비스 표준 오믹 공정 170

[그림 3.7.4] Activation annealing 실험 순서 170

[그림 3.7.5] Activation annealing 후 에피 표면 산화 사진 171

[그림 3.7.6] 고온 열처리 공정순서 및 오믹 공정 현미경 사진 171

[그림 3.7.7] 접촉 저항 평가 패턴 및 측정 방법 예시 171

[그림 3.7.8] 비접촉 저항 측정 결과 172

[그림 3.7.9] Isolation implant 공정 단면도 172

[그림 3.7.10] Isolation implant 표면 사진 172

[그림 3.7.11] 설계된 게이트의 FIB 단면 사진 예시 173

[그림 3.7.12] 특성 평가용 소자의 mask layout(좌) 및 제작된 소자 사진(우) 173

[그림 3.7.13] 소자공정 제작순서 174

[그림 3.7.14] 제작된 소자의 FIB(focused ion beam) 단면 사진 174

[그림 3.7.15] 특성평가용 에피 구조 175

[그림 3.7.16] 제작된 웨이퍼의 DC 특성 175

[그림 3.7.17] 제작된 웨이퍼의 breakdown voltage 결과 176

[그림 3.7.18] 제작된 웨이퍼의 RF 특성 176