MOCVD를 통한 세계 최초 질화알루미늄 스칸듐 생산

2019년 10월 28일

작성자: 제니퍼 펑크, Fraunhofer-Gesellschaft

프라운호퍼 응용고체물리연구소(IAF) 과학자들은 이전에는 불가능하다고 여겨졌던 일을 달성했습니다. 즉, MOCVD(금속-유기 화학 기상 증착)를 통해 질화알루미늄 스칸듐(AlScN)을 제조하는 데 성공한 세계 최초입니다. AlScN 기반 장치는 차세대 전력 전자 장치로 간주됩니다. 이러한 획기적인 발전을 통해 Fraunhofer IAF는 산업용 애플리케이션을 위한 AlScN 트랜지스터 기반 전력 전자 장치 개발이라는 목표를 향해 결정적인 발걸음을 내디뎠습니다.

AlScN 기반 트랜지스터는 데이터 전송, 위성 통신, 레이더 시스템 또는 자율 주행과 같은 다양한 산업 응용 분야에서 유망하며, 특히 현재 실리콘(Si) 기반 장치가 이러한 응용 분야에서 물리적 한계에 도달하고 있기 때문입니다. 그 이유 중 하나는 현재 연구 상태에 따라 더 이상 줄일 수 없는 Si 장치의 크기입니다. 점점 더 많은 양의 데이터를 현재의 Si 기술로 처리해야 한다면 서버룸이 너무 넓은 공간을 차지하게 되어 경제적, 생태학적으로 지속 불가능할 것입니다. 소위 HEMT(고 전자 이동도 트랜지스터)는 Si 장치의 가능성을 훨씬 능가합니다. HEMT 구조의 성공의 열쇠는 기반이 되는 재료에 있습니다. AlScN은 탁월한 특성을 갖고 있어 다른 재료보다 더 높은 캐리어 농도를 허용합니다. 앞으로는 AlScN을 기반으로 훨씬 더 강력하고 효율적인 HEMT가 실현될 것입니다.

이전 제조 공정은 품질과 생산성으로 인해 실패했습니다.

AlScN의 생산에는 근본적인 과제가 수반됩니다. 최첨단 생산 공정은 스퍼터링을 통해 AlScN 층을 성장시킵니다. 불행하게도 이러한 층의 품질은 LED 및 고전력 트랜지스터와 같은 전자 응용 분야에는 충분하지 않습니다. 또 다른 방법은 분자빔 에피택시(MBE)를 통해 AlScN을 생산하는 것입니다. 이 공정을 통해 다량의 스칸듐이 화합물에 포함될 수 있습니다. 품질은 마이크로 전자 장치 생산에도 충분합니다. 그러나 공정이 매우 복잡하고 산업 규모로 생산하기에는 생산성이 너무 낮습니다.

MOCVD를 통한 AlScN의 생산은 필요한 품질뿐만 아니라 산업 응용 분야에 충분한 생산성도 보장합니다. "우리는 MOCVD를 통해 갈륨 스칸듐 질화물을 생산하려는 다른 과학자들의 이전 시도가 실패했다는 것을 알고 있습니다. 또한 전 세계의 많은 과학자들이 AlScN 트랜지스터를 개발하기 위해 노력하고 있지만 우리 이전에는 MOCVD를 사용하여 성공한 사람이 없다는 것도 알고 있습니다. 비록 이것이 업계에 매우 유망한 접근 방식이기는 하지만"이라고 Fraunhofer IAF의 그룹 리더인 Stefano Leone 박사는 설명합니다. MOCVD 공정 동안 가스는 가열된 웨이퍼를 가로질러 안내됩니다. 열 노출을 통해 별개의 분자가 가스에서 방출되어 웨이퍼의 결정 구조에 통합됩니다. 가스 흐름, 온도 및 압력을 조절하여 결정 구조를 정밀하게 조정할 수 있습니다. 또한, 가스의 빠른 변화로 인해 서로 다른 재료 층을 성장시킬 수 있습니다.

Fraunhofer IAF, 참신함 달성

Fraunhofer IAF 연구원들의 과제는 스칸듐을 위한 가스 공급원이 없다는 것입니다. 스칸듐의 분자(전구체)는 매우 커서 기체상으로 전환하기 어렵습니다. "우리는 가능한 최고의 스칸듐 전구체를 연구하고 필요한 절차에 맞게 MOCVD 반응기를 조정할 계획을 세웠습니다. 우리는 현재 특허를 출원 중인 설정을 개발할 때까지 많은 연구와 논의를 했습니다. 이제 AlScN 성장에 성공했습니다. 차세대 전력 트랜지스터를 개발하기 위해 매우 높은 결정 품질과 적절한 양의 스칸듐을 사용하여 MOCVD를 통해 층을 형성했습니다."라고 Leone은 이러한 성과에 기뻐했습니다. Fraunhofer IAF의 MOCVD 시스템은 고품질의 재현 가능한 AlScN 생산 공정을 가능하게 하기 위해 연구 그룹에 의해 수정되었습니다.