AlN 재료 및 장치의 특성에 대한 온도의 영향 +

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6.1eV의 넓은 밴드갭, 높은 열 전도성 및 높은 항복 전기장을 갖춘 AlN은 극한 온도 응용 분야에 이상적인 후보입니다. 그러나 AlN의 실제 적용은 두 가지 핵심 과제에 직면해 있습니다. (i) 격자 불일치(13.2%) 및 열팽창 계수 불일치(45.4%)로 인해 이종 에피택시(예: 사파이어 기판)에서 발생하는 잔류 응력; (ii) Si 도너의 자가 보상 효과(DX 센터)에 의해 제한되는 낮은 n형 도핑 효율. 두 문제 모두 온도와 밀접하게 관련되어 있습니다. 온도는 응력의 방출과 전개에 영향을 미치고 도너 이온화 속도와 캐리어 이동 동작을 결정합니다.

최근에는 Wei et al. 80-850K 이상의 MOCVD 성장 AlN 필름의 응력 진화 및 광학 특성 변화에 대한 심층 분석을 수행하여 열 응력 방출에서 나노 패턴 기판의 긍정적인 역할을 밝혔습니다. 한편, Okumura et al. 300~1150K의 온도 범위에서 Si 주입 AlN 층의 전기적 특성을 체계적으로 조사하여 1000K를 초과하는 온도에서 AlN 쇼트키 배리어 다이오드 및 MESFET의 작동을 성공적으로 입증했습니다.

1. AlN 재료의 기본 특성에 대한 온도의 영향

1.1 잔류 응력의 온도 변화

Weiet al. MOCVD(각각 샘플 A 및 샘플 B라고 함)를 통해 기존의 평평한 사파이어 기판(CSS) 및 나노 패턴 사파이어 기판(NPSS)에 AlN 에피택셜 층을 성장시키고 온도 의존형 라만 분광법(80-300K)을 통해 잔류 응력의 온도 의존성을 연구했습니다. E2(고) 포논 모드의 라만 이동은 온도가 증가함에 따라 적색 이동을 나타내며, 여기에는 열팽창으로 인한 격자 상수 변화와 불협화음 효과가 모두 포함됩니다.

응력-라만 이동 관계 σ = (Ω – Ω₀)/κ(여기서 κ = 4.04cm⁻1/GPa, Ω₀ = 657.4cm⁻1)를 사용하여 온도 함수로서 이축 응력을 계산했습니다. 그림에서 볼 수 있듯이 CSS의 AlN 샘플의 압축 응력은 80K에서 1.59GPa로 높으며 온도가 300K로 증가함에 따라 0.60GPa로 감소합니다. NPSS의 AlN 샘플의 경우 압축 응력은 80K에서 0.90GPa에서 300K에서 0.38GPa로 감소합니다. 이는 온도가 증가함에 따라 열팽창이 성장 중에 축적된 압축 응력을 부분적으로 보상하고 나노 패턴 구조가 나노 기공을 통해 추가적인 응력 방출 채널을 제공한다는 것을 나타냅니다.

그림 1 80~300K 온도 범위에서 AlN/사파이어 필름의 라만 스펙트럼. 온도가 증가함에 따라 적색 편이와 E2(높은) 피크가 넓어지는 것을 보여줍니다.

그림 2. 기존의 평면 기판(샘플 A) 및 패턴화된 기판(샘플 B)에 대한 AlN의 이축 응력의 온도 의존성

X선 회절 분석을 통해 위의 경향이 더욱 확인되었습니다. CSS에서 AlN의 (0002) 회절 피크는 35.9810°에 있는 반면, NPSS의 회절 피크는 35.9931°에 있으며 이는 무변형 AlN의 이론적 값에 더 가깝습니다. c축 잔류 변형률의 온도 의존성은 라만 결과와 일치합니다.

그림 3. 사파이어 기판 위 AlN 샘플의 X선 회절 분석

1.2 광학상수와 밴드갭의 온도 의존성

Weiet al. 온도 의존 분광 타원 측정법 (300-850K)을 사용하여 AlN 필름의 광학 상수 및 밴드 갭의 온도 의존성을 조사했습니다. 결과는 굴절률 n이 저에너지 영역에서 온도에 따라 약간 증가하는 반면, 고에너지 영역에서는 피크가 적색 이동을 겪는다는 것을 보여줍니다. 소광계수 k의 흡수 가장자리는 밴드갭 축소를 직접적으로 반영하여 더 낮은 에너지 쪽으로 이동합니다.

밴드갭의 온도 의존성은 (αhν)² 대 hν의 선형 외삽을 통해 얻어졌습니다. CSS 샘플의 밴드갭은 300K에서 6.16eV에서 850K에서 5.73eV로 감소하는 반면, NPSS 샘플의 밴드갭은 6.06eV에서 5.64eV로 감소합니다. 이 변화는 Varshni 공식 Eg(T)=E0-αT²/(T+b)로 정확하게 설명할 수 있습니다. 적합한 매개변수는 다음과 같습니다. CSS 샘플의 경우 E0=6.24eV, α=8.73×10⁻⁴eV/K, b=857K; NPSS 샘플의 경우 E0=6.19eV, α=7.84×10⁻⁴eV/K, b=672K입니다. 밴드갭 축소의 물리적 메커니즘에는 열팽창과 전자-포논 상호작용으로 인한 원자간 간격의 증가가 포함됩니다.

그림 4 (a)(b) 서로 다른 온도에서 CSS 및 NPSS 샘플의 타원계측 매개변수 Δ; (c)(d) CSS 샘플에 대한 굴절률 n과 소멸 계수 k의 온도 의존성; (e) 밴드갭 추출을 위한 (αhν)² 대 hν 플롯; (f) 온도에 따른 밴드갭의 Varshni 적합

Urbach 에너지 EU는 결정 장애 정도와 결함 밀도를 특성화하는 핵심 매개 변수입니다. 온도에 따른 변화는 결정 품질의 열적 안정성을 반영합니다. EU 값은 CSS 샘플의 경우 0.27eV이고 NPSS 샘플의 경우 0.23eV입니다. EU가 낮을수록 NPSS 샘플의 밴드 테일 상태 밀도가 낮아짐을 나타내며 이는 보다 완전한 응력 해제와 관련이 있습니다. 투과 스펙트럼은 나노 기공에 의한 광산란으로 인해 NPSS 샘플의 220-245nm 범위에서 국부 투과율 최소값을 보여줍니다.

그림 5 ln(α) 대 hν의 플롯; 기울기가 작을수록 결정 장애가 낮음을 나타냅니다.

2. AlN의 전기적 특성과 소자 성능에 대한 온도의 영향

2.1 Si 주입 AlN 층의 캐리어 수송 및 접촉 특성

Okumuraet al. 이온 주입([Si]=2×101⁹cm⁻³)을 통해 AlN 층에 Si 도핑을 달성한 후 1500°C에서 30분간 어닐링했습니다. 홀 효과 측정 결과, 온도가 500K에서 900K로 증가함에 따라 전자 농도가 2.5×10101⁶cm⁻³에서 1.9×101⁸cm⁻3로 크게 증가하는 것으로 나타났습니다. 이는 도너 이온화를 촉진하는 열 여기로 인해 발생합니다. 전자 이동도는 주로 고온에서 향상된 포논 산란으로 인해 19cm² V⁻¹ s⁻1에서 3cm² V⁻¹ s⁻1로 감소합니다. 900K에서도 전자 농도는 주입된 Si 농도보다 한 자릿수 낮은 수준으로 유지됩니다. Okumuraet al. 이는 Si에 의해 AlN에 320meV의 이온화 에너지를 갖는 DX⁻ 센터가 형성되었기 때문이라고 생각합니다. 전하 중립성 조건을 맞추면 도너 활성화율은 10%에 불과하고 보상 비율은 5가 됩니다.

전송선로법으로 측정한 면저항과 비접촉저항률은 다음 그림과 같습니다. 500~1100K 범위에서 시트 저항은 약 10⁶Ω/sq에서 1×10⁵Ω/sq로 감소하고, 비접촉 저항은 약 10⁻1Ω·cm²에서 4.0×10⁻³Ω·cm²로 감소합니다. 이러한 감소는 향상된 열이온 방출 및 열이온 전계 방출 메커니즘에 기인합니다. 특히 Ti/Al/Ti/Au 전극의 비가역적 열화는 1150K에서 발생하며 이는 기존 금속화 방식이 1100K 이상의 안정성 문제에 직면하고 있음을 나타냅니다.

Fig. 6 (a) Temperature dependence of sheet resistance and specific contact resistivity of Si-implanted AlN layers (500–1100K); (b) Temperature dependence of electron concentration and electron mobility (500–900K)

2.2 High-Temperature Rectification Characteristics of AlN Schottky Barrier Diodes

Okumura et al. fabricated AlN Schottky barrier diodes with Ni/Au anodes and Ti/Al/Ti/Au cathodes, and tested their current density–voltage characteristics over 300–1100K. The devices exhibit clear rectification characteristics at all tested temperatures. The turn-on voltage decreases from 1.47V at 500K to 1.16V at 1000K, primarily due to bandgap narrowing of AlN with increasing temperature.

Fig. 7 (a) Current density–voltage characteristics of AlN Schottky barrier diodes; (b) Temperature dependence of ideality factor and apparent barrier height

이상 계수 n은 300K에서 1보다 훨씬 큰 값에서 1000K 및 1100K에서 1.01로 감소합니다. 이는 Ni/AlN 인터페이스가 고온에서 안정적으로 유지됨을 나타냅니다. 겉보기 장벽 높이는 300K에서 1.31eV에서 상승된 온도에서 약 3.5eV로 증가하는데, 이는 계면 장벽 높이의 불균일한 분포로 인해 발생합니다. 가우스 분포 모델을 사용하여 피팅하면 평균 제로 바이어스 장벽 높이 ΦB0 = 3.5eV가 생성됩니다. 쇼트키 배리어 다이오드는 300K에서 610V의 항복 전압을 나타내며 온/오프 비율은 600~1000K 범위에서 ~10⁵ 정도를 유지합니다. 계산에 따르면 1100K에서 AlN의 고유 캐리어 농도는 전자 농도보다 훨씬 낮은 6×10⁸cm⁻3에 불과하며, 이는 높은 온/오프 비율을 유지하는 근본적인 이유입니다.

2.3 AlN MESFET의 고온 작동

Okumuraet al. 게이트 길이가 2μm이고 게이트 폭이 100μm인 AlN MESFET을 제작했습니다. 이 장치는 1000K에서 우수한 포화 특성과 게이트 전압 변조 기능을 나타냅니다. 최대 드레인 전류는 2.2mA/mm(Vgs = +20V에서)이고 온/오프 비율은 10²를 초과하며 3단자 항복 전압은 176V(Vgs = -34V에서)입니다.

그림 8 (a) AlN MESFET의 단면 구조와 (b) 1000K에서의 출력 특성

그림 9 (a) 다양한 온도에서의 전달 특성 및 (b) 최대 상호 컨덕턴스와 문턱 전압의 온도 의존성

전달 특성을 분석하면 임계값 이하 스윙이 300K에서 0.42V/decade에서 1000K에서 15V/decade로 저하되는 것으로 나타났습니다. 이는 주로 온도 상승에 따라 의도하지 않게 도핑된 하단 AlN 층을 통한 누출 증가로 인해 발생합니다. 최대 트랜스컨덕턴스 g_m,최대300K에서 7.5×10⁻⁹S/mm에서 1000K에서 2.8×10⁻⁵S/mm로 증가합니다. 이는 온도로 인한 전자 농도의 증가가 이동성 감소의 부정적인 영향보다 전류를 더 향상시킨다는 것을 반영합니다. 임계 전압은 이론적 계산과 일치하여 -3.2V(300K)에서 -34V(1000K)로 이동합니다.

요약하면, 온도가 증가하면 AlN 에피택셜 층의 압축 응력이 크게 해제되고 밴드갭이 좁아집니다. 또한, 온도가 상승하면 Si 주입 AlN 층의 전자 농도가 기하급수적으로 증가하여 AlN 쇼트키 배리어 다이오드가 1100K에서 약 10⁴의 온/오프 비율과 3.5eV의 높은 장벽 높이를 유지할 수 있고 1000K에서 AlN 기반 MESFET의 안정적인 게이트 전압 변조가 가능해집니다.

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참조:

1. Wei, W., Peng, Y., Wang, J., Farooq Saleem, M., Wang, W., Li, L., … & Sun, W.(2021). MOCVD로 성장한 AlN 막의 응력 및 광학 특성의 온도 의존성. 나노재료, 11(3), 698.
2. 오쿠무라, H., 와타나베, Y., 시바타, T. (2023). 사파이어 기판에 Si 주입 AlN 층의 전기적 특성의 온도 의존성. 응용물리학 익스프레스, 16(6), 064005.