질화갈륨(GaN)은 3세대 광대역갭 반도체 재료로서, 넓은 대역갭 폭(3.4eV), 높은 임계 붕괴 전기장, 높은 전자 포화 드리프트 속도, 강한 방사선 저항성 등 우수한 특성을 가지고 있습니다. 자외선 검출 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 보여주고 있습니다. 특히 자외선 천문학, 환경 모니터링, 우주 통신과 같은 최첨단 분야에서, GaN 광검출기는 눈사태 광자다이오드(APD)와 같은 단일 광자 수준에서 높은 감도를 검출할 수 있습니다. 소자 구조와 상관없이, 기판 선택, 버퍼 층 설계, 도핑 분포, 결함 밀도 제어 등 에피택셜 재료의 품질은 암전류, 이득, 붕괴 전압, 신뢰성 등 APD의 핵심 성능을 직접 결정합니다.

1. GaN 기반 APD의 에피택시얼 기초

1.1 기질 선택

대량 GaN 기판은 희소하고 비용이 많이 들기 때문에 대부분의 GaN 에피택시는 이질적인 기판 위에서 수행됩니다. 일반적인 기질과 그 주요 매개변수의 비교는 아래에 제시되어 있습니다:

이질적인 기판의 주요 과제는 큰 격자 및 열적 불일치로, 이는 버퍼층 기술을 통해 응력 해방과 여과기 전위를 해결해야 합니다. 예를 들어, 실리콘 기판에서 GaN을 성장시킬 때는 일반적으로 AlN 핵생성층과 등급화된 (Al,Ga)N 완충층을 사용합니다. 사파이어 기판에서는 저온 GaN 또는 AlN 핵생성층이 자주 사용됩니다.

1.2 버퍼 레이어 설계

완충층은 기판 결함이 에피택시얼층으로 확장되는 것을 차단하고 열응력을 관리하는 역할을 합니다. Hamdaoui 등(2024)은 약 1.5μm 두께의 (Al,Ga)N 초격자 버퍼와 고온 AlN 핵생성층을 결합하여 약 5×10⁸cm⁻²의 나사산 전위 밀도를 달성한 고품질 GaN-on-Si APD 구조를 보고했습니다. 사파이어 기판의 경우, 저온 GaN 완충 후 고온 GaN층이 전위 밀도를 더욱 낮춥니다. 적절한 버퍼 레이어 설계는 웨이퍼 굴곡을 조절하고 대직경 기판에서 균일성을 향상시킬 수 있습니다.

1.3 도핑 제어 및 결함 밀도

GaN 에피택시에서 N형 도핑 제어는 일반적으로 실란(SiH₄)을 사용하며, 도핑 농도는 5×10¹⁵cm⁻³(가볍게 도핑된 드리프트층)에서 5×10¹⁸cm⁻³(n⁺ 접촉층)까지 다양합니다. P형 도핑은 비스(사이클로펜타디에닐) 마그네슘(Cp₂Mg)을 사용하지만, GaN 내 Mg의 높은 활성화 에너지(약 170meV)로 인해 활성화를 위해 고온 어닐링이 필요하며, 유효 도핑 농도는 보통 화학양론적 농도보다 훨씬 낮습니다. 결함 밀도, 특히 스레딩 전위는 역누설 전류를 악화시키고 절연 파괴 전압을 감소시키며, 소자의 조기 고장을 초래합니다. 따라서 결함 밀도 감소가 에피택셜 최적화의 핵심 목표입니다.

2. 자외선 눈사태 포토다이오드용 GaN 에피택셜 구조 설계

2.1 GaN 광검출기 p-i-n 구조 에피택시

GaN 광검출기의 가장 기본적인 구조는 p-i-n 구조입니다. 일반적인 에피택셜 층 서열은 다음과 같습니다: 기판 위에서 n⁺-GaN 접촉층, 가볍게 도핑되거나 의도치 않게 도핑된 i-GaN 층(흡수 및 증식 영역 역할을 함), 그리고 p-GaN 층을 차례로 성장시킵니다. Lei 등은 사파이어 기반 p-i-n 구조 APD 에피택시를 역조명 모드에서 보고했으며, 이 모드에서는 자외선이 사파이어 쪽에서 들어오고 i-GaN 층이 주요 흡수 및 증식 영역 역할을 합니다. 특히 GaN의 정공 충격 이온화 계수는 전자보다 크기 때문에 백사이드 조명(곱셈 영역에 정공 주입)이 과도한 잡음을 줄여줍니다. 관련 연구들은 독립 GaN 기판 위의 n-i-p 구조가 암전류 밀도를 1.5×10⁻⁵A/cm²로 더 낮추고 최대 10⁵의 이득을 달성함을 보여줍니다.

태양 블라인드 특성을 요구하는 AlGaN APD의 경우, 에피택시는 고알루미늄 조성의 AlGaN 흡수층(예: Al₀.₄Ga₀.₆N)과 낮은 Al조성의 AlGaN 증폭층(예: Al₀.₂Ga₀.₈N)을 포함합니다. 그러나 천연 동등외형질 기질이 부족하기 때문에 AlGaN 외형택시는 사파이어 또는 AlN 기질에서 성장해야 하며, 이는 높은 결함 밀도를 초래합니다. 단계별 등급 n-타입 층(n-GaN → n-Al₀.₀₂Ga₀.₉₈N)을 삽입하면 암전류 밀도를 6.5×10⁻⁵A/cm²에서 1×10⁻⁷A/cm² 이하로 낮출 수 있습니다.

2.2 GaN 분리 흡수 및 증식(SAM) 구조 에피택시

SAM 구조는 흡수층과 증폭층 사이에 전하층을 삽입하여 증폭 영역에 높은 전기장을, 흡수 영역에 낮은 전기장을 집중시켜 잡음을 줄이고 이득을 증가시켜 전기장 공학을 달성합니다. 전형적인 AlGaN SAM 구조 APD 에피택시에는 p-AlGaN 접촉층 / AlGaN 증폭층 / AlGaN 전하층 / AlGaN 흡수층 / n-AlGaN 층 / 기판이 포함됩니다. 곱셈층은 낮은 알루미늄 조성(예: Al₀.₂Ga₀.₈N)을 사용하여 높은 홀 충격 이온화 계수를 달성합니다; 흡수층은 태양 차단 특성에 대해 높은 알루미늄 조성(예: Al₀.₄Ga₀.₆N)을 사용합니다; 전하층은 도핑 농도와 두께를 정밀하게 조절하여 두 층 간의 전기장 분포를 조정합니다. 문헌에 보고된 구조는 고/저 알루미늄 조성을 가진 이중 곱셈층 설계를 사용하여 절연 붕괴 전압을 116.3V에서 96.9V로 낮춥니다. 더욱이, SAM 구조 뒷면에 1차원 광자 결정 필터 층을 삽입하면 태양-블라인드 검출 능력이 더욱 향상됩니다.

2.3 편광 강화 에피택시 설계

III-질화물 이종접합에서 발생하는 강한 자발적 및 압전 분극 효과를 활용하여 내장된 전기장을 강화하여 APD의 작동 전압을 낮출 수 있습니다. 이 접근법을 편광 공학이라고 합니다. 연구자들은 p-i-n APD에서 p-GaN 층을 p-In₀.₀₅Ga₀.₉₅N으로 대체할 것을 제안했습니다; InGaN과 GaN 사이의 분극 전하는 증폭 영역이 더 낮은 바이어스로 임계 전기장에 도달할 수 있게 하여 파괴 전압을 26V 이상 낮춥니다. 또한, SAM 구조에 극성 Sc₀.₀Ga₀.₉₅N 층을 도입하면 내부 전기장이 2.8 MV/cm로 발생하고, 이득은 60% 증가하여 7.2×10⁴가 됩니다. 이러한 편광 공학은 저전력 고감도 GaN 광검출기 개발에 새로운 접근법을 제공합니다.

3. 상업용 GaN 광검출기 에피택시 사양

위의 에피택시얼 설계 원칙을 바탕으로, PWG는 다양한 기판과 적용 요구사항을 충족하는 맞춤형 구조를 갖춘 다양한 상업용 에피택시 GaN 광검출기 웨이퍼를 제공합니다. 아래에는 각각 사파이어 기반 백라이트 APD와 실리콘 기반 저비용 자외선 검출에 해당하는 두 가지 전형적인 제품 구조가 제시되어 있습니다.

1) 사파이어 기반 역광 p-i-n 구조

2) 실리콘 기반 p-i-n 구조

참고: 특정 두께와 도핑 값은 사용자 맞춤 가능합니다.

위의 상업용 에피택시 제품은 에피택시얼 층 두께, 도핑 농도, 기판 유형(사파이어, SiC, 실리콘, GaN 포함)과 관련된 다양한 응용 시나리오의 차별화된 요구사항을 충분히 고려하고 있습니다. 사용자는 적절한 표준 제품을 선택하거나 소자 구조에 따라 맞춤형 에피택시(p-i-n 구조, SAM 구조 등)를 요청할 수 있습니다.

참고문헌:

1. 레이, Q., 리, L., 루, W., 타오, J., 링, R., 장, L., ... & 가오, F. (2025). GaN 기반 눈사태 광검출기의 준비 및 연구 진행 상황. 미세구조, 5(4), 해당 참조.

2. 함다위, Y., 미클러, S., 비다우, A., 지우슈, K., 그리고 메즈두브, F. (2024). 1200V 완전 수직 GaN-on-실리콘 핀 다이오드, 눈사태 능력과 10A 이상의 높은 온스테이트 전류. IEEE 전자 장치 거래, 72(1), 338-343.