EFG 법 시뮬레이션 모델링을 통한 산화갈륨 단결정 성장

Abstract

베타(𝛽)상 산화갈륨(Ga2O3)은 단사정계에 속하는 열적으로 가장 안정한 상이며 상용화된 전력반도체 소재보다 높은 밴드갭과 항복전압을 갖기 때문에 내열, 고내압, 저손실 특징이 있다. 𝛽-Ga2O3은 액상이 존재하기 때문에 용액성장법(Edge-defined Film-fed growth, Czochralski, Floating Zone, Vertical Bridgeman)을 통하여 성장이 가능하며 그중 EFG법은 성장 결정의 형상을 제어할 수 있고 낮은 가공 손실율, 대구경, 고속 성장이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 EFG법 단결정 성장 공정에서 slit의 비대칭 구조로 인한 X, Y, Z축의 비대칭 온도구배는 성장 결정의 열응력으로 인한 결함 및 품질 저하의 원인이 된다. 본 연구에서는 성장로 내부에서 공정 변수가 성장 결정에 미치는 메커니즘을 규명하고자 하였다. 고품질 단결정 성장을 위해서는 영향을 미치는 공정 변수와 현상에 대한 이해가 필요하다. 하지만 성장 공정의 특성상 정확한 관찰과 측정이 불가능하며 이를 해결하기 위하여 다중물리해석 모델링을 통한 예측을 시도하였다. 이러한 다중물리해석 모델은 실험적으로 검증되어야 하며, 이를 위해 공정비용이 저렴한 액상 성장 물질인 Silicon 단결정 성장 모델을 구축하여 검증을 시도하였다. 검증된 다중물리해석 모델을 바탕으로 𝛽-Ga2O3 성장 모델을 구축하였다. EFG법 성장 공정에서 중요한 요소는 원료 공급을 위한 모세관 현상과 종자 결정에서 발생하는 결정화 현상이다. 먼저 slit의 형상에 따른 모세관 현상을 시뮬레이션하여 원료공급이 가능한 Wslit 값을 최적화 할 수 있었다. 또한 결정 품질 향상을 위해 결정화 현상이 발생하는 liquid-bridge 영역에 집중하였으며 Wcrystal에 따른 liquid-bridge 형성의 안정성 및 경절화 영역의 온도구배를 분석하여 고품질 𝛽-Ga2O3 성장을 위한 최적화된 Wcrystal 값을 도출하였다. 결과적으로, 실험을 통해 검증된 다중물리해석 모델을 활용하여 Wslit, Wcrystal 값이 성장에 미치는 영향을 확인하였으며, 적절한 Wcrystal/Wslit 값을 통해 안정적으로 고품질의 산화갈륨 단결정을 고속 성장 시킬 수 있었다.

Gallium oxide (Ga2O3) is attracting attention as a next-generation power semiconductor substrate due to its ultra-wide bandgap (4.7 – 4.9 eV) and high breakdown voltage (~8 MV/cm). There are several methods to grow bulk Ga2O3 such as Verneuil, floating zone, Czochralski, Bridgman, and edge-defined film-fed growth (EFG) methods. Among them, EFG is capable of growing large, high-quality Ga2O3 single crystals with controlled planar shape from the Ga2O3 melt. The advantage of the EFG method is that the grown crystal is shaped by the die during growth, the growth rate is remarkably high (40 mm/h), and the crystal quality is excellent. The growth rate and quality of the single crystal growth through the EFG method are greatly affected by the thermodynamics of species and temperature gradient at the crystal. In particular, the radial temperature gradient should be small to reduce defects and stress; and the axial temperature gradient should be large to increase the growth rate. Such temperature gradients are highly influenced by the heat transfer at the liquid-bridge which is located between the slit and the grown crystal, and unstable temperature gradients may directly deteriorate the quality of the grown crystal. Therefore, a process simulation and optimization for the reactor cell of the EFG for Ga2O3 single crystal ribbon was performed in the present work. Firstly, the capillary height of the melt in the slit as a function of the slit width is estimated. Hence, an optimal structure of the slit was derived to enhance the stability of the liquid-bridge. Secondly, liquid-bridge shape was calculated concerning the surface tension of the liquid Ga2O3 and the contact angle to the Iridium slit. Lastly, the heat transportation including conductive, radiation, and latent heat of solidification of the Ga2O3 melt occurring at the solid-liquid interface was calculated to identify the thermal field that changes with the pulling of seed/shaft. From that, the growth rate was predicted with a value is comparable to the real growth experiments. The grown crystal quality was examined by high-resolution X-ray diffraction, which shows void-less and high-crystallinity of 𝛽–Ga2O3