삼위일체
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : Density Functional Theory(DFT) 계산을 통한 화합물 전력 반도체 물질 GaN의 Band gap과 Density of State에 대한 연구
영문 : Study of the band structure and density of state of doped GaN using Density Functional Theory
과제 팀명
삼위일체
지도교수
유종석 교수님
개발기간
2021년 3월 ~ 2021년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 2017XXX0** 이**(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 2015XXX0** 정**
서울시립대학교 화학공학과 2016XXX0** 이**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
최근 기존의 실리콘 소자를 뛰어넘는 다양한 Wide Band gap 화합물 반도체가 부상하고 있다. 따라서 그중 GaN(질화갈륨, Gallium Nitride)에 대해 Density functional theory(DFT) 계산을 통해 재료의 Band structure, Density of State(DOS)를 계산하는 연구를 진행하였다. VASP 프로그램을 활용하여 intrinsic 반도체에 다양한 dopants들을 첨가하였고, GaN 물질에 대해 Mg, Si, C dopant를 첨가할 경우 밴드갭 개선이 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구 결과를 화합물 반도체 소재의 개발에 활용할 수 있을 것이라 기대한다.
개발 과제의 배경
전력반도체는 전기자동차, 태양광 발전 등 다양한 분야에 활용되며, 스마트폰과 태블릿 PC 등 모바일 디바이스의 급성장으로 수요가 증가하고 있다. 특히, 4차 산업혁명 시대의 도래로 인해 스마트카, 자율주행차, 로봇, 태양전지, 사물인터넷(IoT), 스마트 그리드, 항공우주, 5G 이동통신 등 관련 산업이 성장함에 따라 수요가 급격히 늘어날 것으로 예상된다.
전력 반도체 소자는 1960년대부터 가격이 저렴하고, 동작온도 범위가 넓으며, 산소와 반응해 자연적으로 산화막을 형성하는 장점으로 실리콘이 주로 사용되어 왔으나, 스위칭 손실, 스위칭 속도 등에 한계가 존재한다. 현대에는 이러한 한계를 극복하기 위해 보다 효율이 높으면서 소형화된 전력변환 장치가 요구된다. 따라서 기존의 실리콘 반도체를 뛰어넘는 새로운 소자의 필요성이 대두되고 있는 가운데 SiC(탄화규소, Silicon Cabide)와 GaN(질화갈륨, Gallium Nitride) 등 화합물 반도체가 부상하고 있다. 차세대 반도체 소자는 실리콘에 비해 3배 넓은 밴드갭을 가지고 있다.
GaN 소자는 Si 대비 넓은 밴드 갭을 가지는 특성 외에 높은 항복전압, 낮은 온저항, 빠른 스위칭 속도 등의 특성을 가지고 있어 차세대 화학물 반도체 물질로 연구되고 있다. 시장에서는 GaN보다 SiC가 선호되고 있어 아직 GaN 기반 전력반도체 기술은 초기 단계로 아직 상용화 되지 않았다. 따라서 본 연구의 GaN의 밴드갭을 계산을 통해 목표하는 소자의 특성을 미리 계산하여 활용할 수 있을 것이다.
개발 과제의 목표 및 내용
- - DFT 이론을 통해 GaN의 Band Gap과 Density of State(DOS)를 계산
- - n-doping, p-doping 후 Band Gap과 Density of State의 변화 계산
- - 반도체 Band Gap 개선에 유리한 도핑 물질 분석
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
1. Park, Jeong-Min, et al. “Zinc Blende 구조를 가지는 ZnSe 결정의 밴드 특성에 관한 연구.” 전기화학회지, vol. 14, no. 3, 한국전기화학회, Aug. 2011, pp. 145–151, doi:10.5229/JKES.2011.14.3.145.
ZnSe는 가시광선 영역에서 넓은 밴드갭을 가지고 있는 II-VI족 화합물 반도체 소자로서, UV 분광기를 활용하여 밴드갭을 측정한 결과 2.76 eV이었다. 또한, 분자동역학에서 활용되는 밀도범함수 이론 (DFT, Density Functional Theory)을 도입하여 ZnSe 결정에 대한 밴드 구조의 해석을 수행하였다. Zinc blende구조를 갖는 ZnSe 결정에 대하여 LDA (Local Density Approximation), PBE (Perdew Burke Ernzerhof), 그리고 B3LYP (Becke, 3-parameter, Lee-Yang-Parr) 범함수를 이용하여 밴드구조와 상태밀도 (Density of State)를 모사하였다. 각각의 경우에 대해 에너지 밴드갭을 구한 결과, B3LYP 범함수로 해석한 경우에 실험치와 근사치인 2.65 eV의 밴드갭을 보여주었다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
1. 반도체 소자의 특성 시뮬레이션 방법
- 대한민국 특허- 특허권자 : 한국과학기술원
- 출원번호 : 10-2017-0046768
- 출원일자 : 2017년 04월 11일
- 내용 : 반도체 소자의 특성 시뮬레이션 방법은 밀도 함수 이론(density functional theory; DFT)을 이용하여 대상 반도체 소자의 원자간 상호 작용 에너지 정보를 나타내는 해밀토니언 및 중첩 매트릭스를 추출하고, 유효 에너지 영역 내에서의 해밀토니언 및 중첩 매트릭스와 에너지-k 관계식에 기초하여 해당 에너지 각각에 대한 블로흐 스테이트(Bloch state)들을 각각 산출하며, 블로흐 스테이트들을 표현하는 매트릭스를 직교화(orthonormalization)한 변환 매트릭스에 해밀토니언 및 중첩 매트릭스를 적용하여 매트릭스 사이즈가 줄어든 제1 축소 해밀토니언 및 제1 축소 중첩 매트릭스를 얻는다. 또한, 해밀토니언 및 중첩 매트릭스에 기초하여 산출된 제1 에너지 밴드 구조와 제1 축소 해밀토니언 및 제1 축소 중첩 매트릭스에 기초하여 산출된 제2 에너지 밴드 구조를 비교하여 유효 에너지 영역 내에서 제2 에너지 밴드 구조에서 제1 에너지 밴드 구조와 대응하지 않는 에너지 밴드인 비물리적 가지들(unphysical branch)이 모두 제거된 최종 변환 매트릭스 및 최종 에너지 밴드 구조를 산출한다.
2. 질화물계 반도체 소자의 제조 방법
- 국제특허- 특허권자 : 전자부품연구원
- 출원번호 : 10-2011-0143874
- 출원일자 : 2011년 12월 27일
- 내용 : 본 발명은 특성이 향상된 질화물계 반도체 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 기판 상부에 질화물계 에피층을 형성하고, 상기 에피층의 상부에 n 타입 도펀트를 포함하는 n 타입 질화물층을 형성하고, 상기 n 타입 질화물층의 상부 일정 간격을 두고 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하고, 상기 에피층 상부의 n 타입 질화물층을 선택적으로제거한 후, 열처리를 통해 상기 소스 전극 및 드레인 전극에 오믹 접합을 형성함으로써, 오믹 접합의 접촉저항을개선할 수 있으며, 비교적 저온의 열처리 공정을 통해 오믹접합을 형성할 수 있다.
3. 전기차, 신재생에너지 확대로 전력반도체 수요가 증가하고 있는 가운데 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN) 기반의 차세대 전력반도체 특허출원이 급증하고 있는 것으로 나타났다. 특허청(청장 박원주)에 따르면 SiC, GaN 기반의 차세대 전력반도체 관련 특허출원은 2015년 10건, 2016년 13건, 2017년 18건으로 꾸준히 증가해 오다가 2018년에는 33건으로 2017년 대비 83.3% 급증했다.
- 기술 로드맵
현재 GaN 전력시장은 328억 달러 규모의 실리콘 전력시장에 비해 미미한 수준임에도 불구하고 GaN 기기는 다양한 분야에 두드러지게 침투하고 있다.
전력 GaN 시장에서 가장 큰 부문은 여전히 전력 공급 애플리케이션(예: 휴대폰 급속 충전)이다. 올해 Navitas와 Exagan은 통합 GaN 솔루션을 탑재한 45W 급속 충전 전력 어댑터를 선보였다.
GaN의 잠재력 상승에 대비해 이미 EPC, 트랜스폼 등 다양한 업체들이 대비에 나서고 있다. 또한 BMW iVentures의 GaN Systems에 대한 투자는 EV/HEV 기술용 GaN 솔루션에 대한 자동차 업계의 관심을 나타낸다. 그림에 나타난 Yole’s second scenario-"Bull Case Scenario"는 주요 소비자 제조사들이 GaN 무선 충전 솔루션을 채택하면서 달성된다고 예측했다. 시장조사에 따르면 이런 맥락에서 2017~2023년 GAN 전력사업은 4억2천3백만 달러 정도에 이를 수 있는 전망이다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
전력반도체는 모든 산업 기반이 되는 부품 소자이다. 고도화된 산업에서 에너지와 관련하여 중요성이 커지고 있는 추세지만 국내 전력반도체 산업은 세계 경쟁력이 많이 뒤떨어지는 상황이다. 해외에서는 Si 전력반도체에서 SiC, GaN 전력 반도체와 같은 화합물 반도체로의 대체가 일어나고 있다. 분명 멀지않은 미래에 SiC, GaN 이후의 차세대 반도체가 필요할 것이다.
그동안 우리나라는 소재개발 보다는 해외에서 상용화된 소재를 가지고 목표를 맞추는 시스템이었기 때문에 일본의 소재, 부품 수출규제 때의 경험에서 보았듯이 핵심기술을 국내에서 가지고 있는 것이 매우 중요하다. 따라서 아직 상용화되지 않은 화합물 전력 반도체 부분에서 국내에 많은 연구/개발이 이루어지면 세계시장에서의 기술패권 경쟁에서 승자가 될 수 있을 것이다.
따라서 본 연구에서 기술한 DFT 이론을 활용한 밴드갭 계산 연구가 차세대 반도체 물질들의 특성을 조사하는데 큰 역할을 할 것이다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
- 2021년부터 화합물 전력 반도체 시장이 본격적으로 성장할 전망이다. 화합물 반도체란 두 종류 이상의 원소로 구성되어 있는 반도체로, 갈륨나이트라이드(GaN), 실리콘 카바이드(4H-SiC) 등 와이드 밴드갭(WBG) 소재로 제조된 반도체다. IT 조사업체 OMDIA는 화합물 전력 반도체 시장 규모가 2020년 8.5억달러에서 2029년 50억달러까지 커질 것으로 전망하고 있다.
- 현재 시장에 다양한 종류의 애프터마켓용 GaN 충전기 시장이 형성되고 있다. 2021년에는 메이저 기업이 GaN 충전기를 출시할 것이라는 예상에도 힘이 실리고 있다. 애플을 시작으로 대다수 IT 디바이스 업체들이 GaN 충전기를 기본으로 적용할 것으로 예상된다.
- 화합물 반도체가 5G, 산업설비, 전기차 등에 사용되기 시작했다. GaN 트랜지스터는 최근 스마트폰 및 노트북 PC의 충전용 어댑터에 대량으로 채택되었다.
- 글로벌 기업들의 GaN, SiC 반도체 사용이 본격화되고 있다. 스마트폰은 GaN을, 전기차는 SiC를 사용하기 시작했다. 스마트폰과 노트북PC의 고효율 GaN 충전기 시장이 급속히 확대되고 있다. GaN 반도체로 충전기를 제조할 경우 같은 용량이라면 크기를 기존 대비 절반 이하까지 축소할 수 있다. 현재 시장에 다양한 종류의 애프터마켓용 GaN 충전기 시장이 형성되고 있다.
- 다양한 분야에 적절한 물질들의 수요가 절실한 상황이고, 급변하는 시장 상황에 맞추어 빠르게 물질을 평가할 수 있는 연구가 필요하다. 특히 SiC 및 GaN 등 차세대 전력반도체 분야는 국내 연구기반이 매우 취약하여 제대로 된 전문인력이 배출되지 못하고 있다. 앞으로 차세대 반도체 산업이 성장하기 위해서는 제품을 자체 설계, 생산할 수 있는 기술과 전문인력이 필요하다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
설계
설계사양
제품의 요구사항
- GaN 반도체 물질의 band gap, density of state 계산
- doping이 band gap과 density of state 변화에 미치는 영향 파악
설계 사양
1. VASP 프로그램을 이용하여 재료의 전자 구조를 밝히는 Band structure 계산
2. VASP 프로그램을 이용하여 Density of State(DOS) 계산
개념설계안
DFT를 이용하여 Band Structure과 Density of State를 얻기 위해서는 다음의 단계를 거쳐야 한다.
- Band Structure 계산
- Super cell 구성과 안정화
- Single point Charge density 계산
- K-Points에서의 에너지 계산
- Non-self consistent 계산, with fixed charge density
- Density of State 계산
- Super cell 구성과 안정화
- Single point Charge density 계산
- DOS 계산
이론적 계산 및 시뮬레이션
1. Supercell 설정
GaN의 구조를 조사하여 이를 Ga16N16로 구성된 Super cell을 제작하였다. 이때 다양한 물질들을 아래 그림처럼 해당 super cell에 도핑하여 계산을 수행하였다. Dopant로는 Be와 Mg를 p-dopant로, C와 Si를 n-dopant로 선정하였다.
2. band gap 계산 결과
앞서 구성한 super cell을 안정화하고 이때의 single point charge density를 계산하였다. 고정된 charge density 조건에서 non-self consistent 계산을 수행했다. DFT 이론 기반 VASP로 Band gap 계산을 수행한 결과를 아래 그래프에 나타내었다.
최종 밴드갭을 도핑 물질 별로 정리한 것을 위의 표에 나타내었다. 이때 n-doping의 경우 큰 band gap 감소를 보였지만, p-doping의 Be를 도핑한 경우 밴드갭 개선에 효과가 없는 것을 발견하였다.
GaN에서 Be1은 BeGa defect보다 낮은 formation energy를 가지고 있다. 따라서 BeGa acceptors들은 Be1 donor에 의해 상쇄되기 때문에 GaN-Be doping은 밴드갭 개선에 효과가 없다.
오히려 밴드갭이 증가하는 이유는 도핑물질의 크기 때문으로 조사되었는데, 바탕 물질과 크기가 차이 나는 물질을 도핑하게 되면 물질 안에서의 compressive 또는 tensile 형태의 strain을 발생시킨다. 이 strain은 물질의 밴드갭을 바꾸는데, conduction band나 valence band를 밀어내는 식으로 영향을 미친다.
3. Density of State 계산 결과
다음으로 각 물질들의 Density of State를 계산하였다. 앞선 단계에서 계산한 super cell의 band structure을 기반으로 계산하였다.
다음으로 각 원자별로 total DOS에 기여하는 정도를 알아보기 위해 elements 별, orbital 별로 쪼개 피팅하였다. 이때 dopant들은 계산 결과 값에서 15배 하여 그 결과를 효과적으로 시각화하고자 하였는데, 그 이유는 계산 결과가 한 atom에 대한 결과이고, super cell에서 Ga15Dopant1N16 비율로 존재하기 때문이다.
Be-doped GaN
Mg-doped GaN
C-doped GaN
Si-doped GaN
결과 및 평가
완료 작품의 소개
포스터
완료작품의 평가
- 위의 계산을 통해 intrinsic semiconductor 물질인 GaN보다 도핑을 한 extrinsic 물질들의 band gap이 개선되고, 전자 밀도가 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
- DFT 기반 VASP를 활용한 계산으로 화합물 전력 반도체의 성능을 미리 예측하고 양산에 활용할 수 있다.
- 다만 밴드갭이 개선되지 않은 dopant Be의 경우 intrinsic semiconductor 원자들의 크기 차이 때문에 유도된 strain 이 원인으로 규명되었다. 하지만 전자 밀도는 이전에 비해 크게 증가하였기 때문에, dopant를 선정할 때 고려해야 할 요인이다.
향후계획
- Dopant의 농도를 늘려 Super Cell을 구성하여 band gap과 DOS에 미치는 영향을 조사한다.
- 이온 전도도나 자성 등 반도체 물질에 있어 중요한 다양한 특성들을 조사한다.
- GaN 뿐만 아니라 활발히 연구되고 있는 GaAs 등 다른 물질에 대해서도 동일한 계산을 수행한다.
