현대사회는 지구온난화로 인한 기후변화와 화석 연료 에너지 고갈, 원자력발전소 사고 등의 위험성에 대한 인식 증대로 인해 필연적으로 에너지 고효율화에 대한 큰 수요를 야기하고 있다. 일반 반도체 소자에 비해 전력반도체 소자는 변환효율이 높고 고내압화, 대전류화, 고주파수화 되어 있다. 현재 실리콘 (Si)이 전력반도체용 소재로 널리 활용되어 왔으나 실리콘 반도체의 열적 특성 한계와 SOI의 방열 특성 및 고밀도 절연 특성의 한계등으로 시스템 IC의 초고속화 및 고집적화 등에 다른 고발열 문제를 궁극적으로 해결 할 수 없다. 또한, Sub-system들 간의 Isolation문제는 근본적인 초고집적화의 장애로 대두되고 있다. 기존 실리콘 기반 재료의 물성적한계로 최근 발전 속도가 떨어지고 있는 추세이다.
이를 극복하기 위해 탄화규소 (SiC)는 기존 실리콘보다 우수한 물성을 가지고 있으며, SiC는 와이드 밴드갭 소재로 반도체 단결정 성장 등 재료기술의 성숙도, 소자 제조 공정 상의 용이성 면에서 다른 재료들을 압도하고 있으므로 현재 실리콘을 대체할 수 있는 가장 유력한 전력반도체 재료로 간주되고 있다. SiC는 β-SiC라 불리는 하나의 3C-SiC 입방정상과 70여종의 육방정상, 170여종의 능면정상이 있으며, 입방정상을 제외한 나머지는 α-SiC로 불린다. 이 중 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC와 가 통상적으로 많이 사용된다. 이러한 결정다형 중 4H-SiC와 6H-SiC를 이용하여 반절연 특성을 갖는 고저항 SiC 결정에 대해 연구가 진행 중이다. 반절연성을 갖는 고저항의 SiC는 질화갈륨 (GaN) 에피 박막과 융합된 형태로 사용되며, GaN계 디바이스 제작용 기판으로 적합하다고 볼 수 있다. 이들은 사용 환경이 매우 다양하고 변수가 많은 군사용과 이동통신 기지국용 전력증폭기, 고출력소자, 레이더 등 RF 통신소자 및 전력 소자 분야에 사용되며 전망이 우수한 소자이다. 반절연성은 바나듐을 도펀트로 사용하여 결정을 성장시키거나 바나듐 사용 없이 잔류 불순물 및 고유 결함을 최소화하여 고저항의 전기적 특성을 얻을 수 있다. 특히 바나듐을 도핑한 반절연 SiC 결정의 경우 여전히 품질 개선 및 균일한 바나듐 도핑 제어기술을 필요로 한다. 이러한 문제로 SiC 단결정 성장 시 균일한 바나듐의 승화를 제어하는 기술을 필요로 한다.
본 연구에서는 PVT (Physical Vapor Transport)법으로 성장을 진행하였으며, 다공성 흑연 내부도가니를 사용하여 바나듐을 도핑한 반절연 SiC 단결정 성장을 위해 연구가 진행하였다. 균일한 바나듐 승화를 제어하기 위해 흑연 도가니 하부에 배치하였으며, 다공성 흑연으로 제작된 내부도가니에 탄화바나듐 분말을 채워 넣었다. 또한 다공성 흑연 내부도가니의 위치를 다르게 하여 어떠한 영향이 있는지 알아보았다. 이때 성장온도는 2200-2300℃, 아르곤 분위기에서 성장 압력은 25-40mbar, 종자정은 4H-SiC on-axis C-face를 사용하여 성장을 진행하였다. 성장된 결정은 High resolution X-ray로 X-ray 회절 패턴과 결정성을 확인하였고, 투과/흡수스펙트럼을 확인하기 위해 UV-VIS-NIR을 이용하여 스펙트럼을 분석하였다. 결함 및 표면 관찰을 위해 광학현미경을 사용하였고, SEM (Scanning electron microscope)/EDS (Energy dispersive spectrometer)와 SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) 분석을 통해 바나듐 및 불순물 농도를 확인하였다. Hall Effect measurement 측정을 통해 저항값을 확인하였다.
다공성 흑연 내부도가니가 흑연 도가니 중앙에 위치할 경우와 측면에 위치할 경우 성장된 반절연 SiC 단결정의 품질을 비교 분석하였다. 중앙에 위치할 경우보다 측면에 위치할 경우 시뮬레이션 결과와 같이 비교적 높은 온도로 인해 바나듐이 과하게 도핑이 되었으며 이로 인해 바나듐 석출물이 확인되었다. 그리고 바나듐 석출물로 인해 결정성에 나쁜 영향을 미치는 것으로 나타났다.

Modern society has inevitably caused a great demand for high energy efficiency due to increasing awareness of the risks such as climate change due to global warming, depletion of fossil fuel energy, and nuclear power plant accidents. Compared with general semiconductor devices, power semiconductor devices have high conversion efficiency and have a high internal voltage, large current, and high frequency signal.
Recently, silicon (Si) has been widely used as a material for power semiconductors. However, due to the limitations of thermal characteristics of silicon semiconductors, heat dissipation characteristics of SOI, and limitations of high-density insulation characteristics, the problem of heat generation due to the high speed and high integration of system IC can not be solved ultimately. In addition, the problem of isolation between sub-systems is becoming a fundamental obstacle to ultra-high integration. Due to the characteristic limitations of existing silicon-based materials, the development speed has been declining recently.
Silicon carbide (SiC) has better physical properties than conventional silicon. SiC is a wide bandgap material that overcomes other materials in terms of the maturity of material technologies such as semiconductor single crystal growth and ease of device manufacturing process. Is considered to be the most potent power semiconductor material that can replace silicon.
Research is underway on high-resistivity SiC crystals with semi-insulating properties using 4H-SiC and 6H-SiC in the polytype of SiC. Semi-insulating high-resistance SiC is used in the form of being fused with a Gallium nitride (GaN) epitaxy film and is suitable as a substrate for GaN-based device. Semi-insulating properties can be obtained by growing crystals using vanadium as a dopant, or by minimizing residual impurities and inherent defects without using vanadium, thereby obtaining high-resistance electrical characteristics. Particularly for semi-insulated SiC crystals doped with vanadium, quality improvement and uniform vanadium doping control techniques are still required. This problem requires a technique for controlling the uniform sublimation of vanadium during SiC crystal growth.
In this study, the growth was proceeded by PVT (Physical Vapor Transport) method. Vanadium doped semi-insulating SiC single crystals growth by using porous graphite inner crucible. In order to control the vanadium sublimation, the inner crucible made of porous graphite. Porous graphite inner crucible was placed bottom the graphite crucible, it was filled the vanadium carbide powder. In addition, we examined the effect of porous graphite inner crucible positions. The growth temperature was 2200-2300 °C, the growth pressure was 25-40 mbar in argon atmosphere, and the seed crystal was using 4H-SiC on-axis C-face. The grown crystals were measured X-ray diffraction pattern and crystal quality by using HR-XRD, and the transmission and absorption spectrum was measured by using UV-VIS-NIR Spectrophotometer. An optical microscope was used for defect and surface observation, and vanadium and impurity concentrations were measured by using SEM (scanning electron microscope) / EDS (energy dispersive spectrometer) and SIMS (secondary ion mass spectrometry) analysis. The Hall effect measurement was used to measured the resistance.