Sapphire SiC, Si 기판에 따른 AlGaN/GaN HEMT의 DC 전기적 특성의 시뮬레이션과 분석 Simulation and analysis of DC characteristics in AlGaN/GaN HEMTs on sapphire, SiC and Si substrates원문보기
본 논문에서는 최근 고출력 및 고온 분야의 반도체 분야에 널리 이용되고 있는 AlGaN/GaN 고 전자 이동도 트랜지스터 (High Electron Mobility Transistor, HEMT) 에 대해 DC (direct current) 특성과 열 특성을 기판을 달리하며 시뮬레이션을 수행하였다. 일반적으로 HEMT 소자의 전자 이동도 및 열전도 특성은 기판의 영향이 그 특성을 크게 좌우한다. 이러한 문제점으로 인해 GaN 기반의 HEMT 소자의 기판에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서, 일반적인 Drift-Diffusion 모델과 열 모델을 이용하여 Si, sapphire, SiC (silicon carbide)으로 각각 기판을 변화시키며 시뮬레이션을 하였다. 열 모델 시뮬레이션은 온도를 각각 300, 400, 500K로 변화시키며 그 결과를 비교, 해석 하였다. 전류-전압 (I-V) 특성을 T= 300 K, $V_{GS}$=1 V의 조건에서 시뮬레이션 한 결과, 드레인 포화전류 ($I_{D,max}$)의 값과 sapphire 기판은 189 mA/mm, SiC 기판은 293 mA/mm, Si 기판은 258 mA/mm 를 나타내었다. 또한 T= 500 K에서 최대 전달컨덕턴스($G_{m,max}$)는 각각 38, 50, 31 mS/mm 를 나타내었다.
본 논문에서는 최근 고출력 및 고온 분야의 반도체 분야에 널리 이용되고 있는 AlGaN/GaN 고 전자 이동도 트랜지스터 (High Electron Mobility Transistor, HEMT) 에 대해 DC (direct current) 특성과 열 특성을 기판을 달리하며 시뮬레이션을 수행하였다. 일반적으로 HEMT 소자의 전자 이동도 및 열전도 특성은 기판의 영향이 그 특성을 크게 좌우한다. 이러한 문제점으로 인해 GaN 기반의 HEMT 소자의 기판에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서, 일반적인 Drift-Diffusion 모델과 열 모델을 이용하여 Si, sapphire, SiC (silicon carbide)으로 각각 기판을 변화시키며 시뮬레이션을 하였다. 열 모델 시뮬레이션은 온도를 각각 300, 400, 500K로 변화시키며 그 결과를 비교, 해석 하였다. 전류-전압 (I-V) 특성을 T= 300 K, $V_{GS}$=1 V의 조건에서 시뮬레이션 한 결과, 드레인 포화전류 ($I_{D,max}$)의 값과 sapphire 기판은 189 mA/mm, SiC 기판은 293 mA/mm, Si 기판은 258 mA/mm 를 나타내었다. 또한 T= 500 K에서 최대 전달컨덕턴스($G_{m,max}$)는 각각 38, 50, 31 mS/mm 를 나타내었다.
In this paper, we report on the 2D (two-dimensional) simulation result of the DC (direct current) electrical and thermal characteristics of AlGaN/GaN HEMTs (high electron mobility transistors) grown on Si substrate, in comparison with those grown on sapphire and SiC (silicon carbide) substrate, resp...
In this paper, we report on the 2D (two-dimensional) simulation result of the DC (direct current) electrical and thermal characteristics of AlGaN/GaN HEMTs (high electron mobility transistors) grown on Si substrate, in comparison with those grown on sapphire and SiC (silicon carbide) substrate, respectively. In general, the electrical properties of HEMT are affected by electron mobility and thermal conductivity, which depend on substrate material. For this reason, the substrates of GaN-based HEMT have been widely studied today. The simulation results are compared and studied by applying general Drift-Diffusion and thermal model altering temperature as 300, 400 and 500 K, respectively. With setting T=300 K and $V_{GS}$=1 V, the $I_{D,max}$ (drain saturation current) were 189 mA/mm for sapphire, 293 mA/mm for SiC, and 258 mA/mm for Si, respectively. In addition, $G_{m,max}$ (maximum transfer conductance) of sapphire, SiC, Si was 38, 50, 31 mS/mm, respectively, at T=500 K.
In this paper, we report on the 2D (two-dimensional) simulation result of the DC (direct current) electrical and thermal characteristics of AlGaN/GaN HEMTs (high electron mobility transistors) grown on Si substrate, in comparison with those grown on sapphire and SiC (silicon carbide) substrate, respectively. In general, the electrical properties of HEMT are affected by electron mobility and thermal conductivity, which depend on substrate material. For this reason, the substrates of GaN-based HEMT have been widely studied today. The simulation results are compared and studied by applying general Drift-Diffusion and thermal model altering temperature as 300, 400 and 500 K, respectively. With setting T=300 K and $V_{GS}$=1 V, the $I_{D,max}$ (drain saturation current) were 189 mA/mm for sapphire, 293 mA/mm for SiC, and 258 mA/mm for Si, respectively. In addition, $G_{m,max}$ (maximum transfer conductance) of sapphire, SiC, Si was 38, 50, 31 mS/mm, respectively, at T=500 K.
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가설 설정
본 논문에서 소스와 드레인 전극은 완벽한 오믹으로 가정하였고, 게이트 전극의 숏트키 장벽 (ΦB)은 수식 (2)를 이용하여 1.5 V로 계산되었다[16].
본 시뮬레이션은 Silvaco사의 atlas 프로그램을 이용하여 AlGaN/GaN HEMT 소자와 기판에 따른 영향을 시뮬레이션 하였다 [11]. 시뮬레이션 시에 사용한 mobility 모델, 물질 파라미터 등을 가정하고 시뮬레 이션을 수행하였다.
제안 방법
AlGaN/GaN의 이종접합 구조에서는 전도밴드의 큰불연속성으로 인하여 전자나 캐리어가 AlGaN/GaN 계면 사이에 갇히게 되고, 이종 접합 계면의 GaN 쪽에 이차원 전자가스를 유도하여 채널을 형성하게 된다. 따라서 piezoelectric porization과 spantanepus polarization을 고려하여 면 전자 농도 (sheet charge density, ns)를 약 1x1013 ㎝-3을 사용하였다[11-16].
75N 층과 passivation을 위한 1 ㎛의 Si3N4 층이 순서대로 GaN 버퍼 층 위에 존재한다. 또한 제안된 소자의 오믹(Ohmic) 컨택을 위하여 GaN 채널 부와 드레인과 소스 전극이 맞닿아 있는 구조를 사용하였다. 게이트길이 (LG)는 1.
)를 비교·분석 하였다. 또한, 열 모델과 일반적인 drift-diffusion mobility 모델을 적용한 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 열 모델의 경우 VG=1 V, T=300 K에서의 드레인 전류는 sapphire, Si 기판에서 각각 19, 9 % 의 감소를 보였고, SiC 기판 에서는 7 %의 점차적인 증가가 관찰되었다.
또한, 열 모델을 적용하여 온도를 각각 300, 400, 500 K로 변화시키면서 기판의 열전도도가 HEMT 소자 특성에 미치는 영향을 전기적 특성을 통하여 비교·분석하였다.
본 논문에서는 sapphire, SiC, Si 기판을 고려한 AlGaN/GaN HEMT 소자의 2차원 시뮬레이션을 통해 DC 전류-전압 특성과 전달 컨덕턴스 (Gm)를 비교·분석 하였다.
본 시뮬레이션은 Silvaco사의 atlas 프로그램을 이용하여 AlGaN/GaN HEMT 소자와 기판에 따른 영향을 시뮬레이션 하였다 [11]. 시뮬레이션 시에 사용한 mobility 모델, 물질 파라미터 등을 가정하고 시뮬레 이션을 수행하였다.
본 연구에서는 최근 주목 받고 있는 Si 과 sapphire 및 SiC 기판을 이용한 AlGaN/GaN HEMT 소자의 DC 전류-전압 (I-V) 특성과 전달컨덕턴스 (Gm)를 Silvaco사의 2차원 시뮬레이터인 atlas를 이용해 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 열 모델을 적용하여 온도를 각각 300, 400, 500 K로 변화시키면서 기판의 열전도도가 HEMT 소자 특성에 미치는 영향을 전기적 특성을 통하여 비교·분석하였다.
일반적인 HEMT 소자 시뮬레이션에서는 시뮬레이션 속도의 증가를 위해 기판을 생략하여 시뮬레이션을 수행한다. 하지만, 본 논문에서는 기판의 영향을 보고자 함으로 동일한 AlGaN/GaN HEMT 소자를 각각 sapphire, SiC, Si 기판을 고려하여 시뮬레이션을 수행하였다. 20 ㎛의 기판 위에 1 ㎛의 비의도적 도핑된 (Unintentionally doped, UID) GaN 버퍼 층과 10 ㎚ 의 비의도적 도핑된 GaN 채널 층으로 구성된다.
대상 데이터
하지만, 본 논문에서는 기판의 영향을 보고자 함으로 동일한 AlGaN/GaN HEMT 소자를 각각 sapphire, SiC, Si 기판을 고려하여 시뮬레이션을 수행하였다. 20 ㎛의 기판 위에 1 ㎛의 비의도적 도핑된 (Unintentionally doped, UID) GaN 버퍼 층과 10 ㎚ 의 비의도적 도핑된 GaN 채널 층으로 구성된다. 그리고 25 ㎚의 도핑 되지 않은 Al0.
열 모델 적용 시에 사용한 열전도도 (thermal conductivity)는 AlGaN과 GaN이 동일하게 1.6 Wcm-1K-1이고, sapphire, SiC, Si는 각각 0.35, 4.9, 1.48 Wcm-1K-1을 사용 하였다[18]. 온도에 따른 열전 도도를 계산하는 식은 다음과 같다.
이론/모형
AlGaN/GaN HEMT의 DC 특성 시뮬레이션을 위해 일반적으로 사용되는 전계와 온도에 따른 drift-diffusion mobility 모델을 사용하였다. Drift-diffusion 모델을 이용한 시뮬레이션에서는 온도 (T) = 300 K로 고정하였다.
성능/효과
Sapphire는 SiC와 Si에 비하여 상대적으로 작은 열전도도로 인해서 열의 흐름이 원활하게 흐르지못해 thermal impedence의 증가로 인해 드레인 전류의 감소를 가져온다. 결과적으로, SiC는 큰 열전도도 값을 가지고 있어 HEMT 소자 내의 채널로부터 열을 분산시키는 능력이 더 뛰어나다. 또한, self heating에 의한 hot electron의 주입과 GaN 버퍼층에서의 trap 현상에 의한 전류붕괴 (current collapse) 현상이 발생하지 않는다 [20].
열 모델의 경우 VG=1 V, T=300 K에서의 드레인 전류는 sapphire, Si 기판에서 각각 19, 9 % 의 감소를 보였고, SiC 기판 에서는 7 %의 점차적인 증가가 관찰되었다. 또한, 온도 300 K와 비교하여 400, 500 K로 증가함에 따라 SiC기판의 drain 전류의 감소율은 다른 두 기판보다 적으며, 최고전달 컨덕턴스도 sapphir보다 큰 값을 가지며, 열 분배 능력이 더 뛰어났다. 따라서 sapphire, SiC, Si중에 AlGaN/GaN HEMT에 SiC기판을 사용하는 것이 드레인 전류밀도와 전달 컨덕턴스의 증가에 도움을 줄 수 있다.
또한, 열 모델과 일반적인 drift-diffusion mobility 모델을 적용한 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 열 모델의 경우 VG=1 V, T=300 K에서의 드레인 전류는 sapphire, Si 기판에서 각각 19, 9 % 의 감소를 보였고, SiC 기판 에서는 7 %의 점차적인 증가가 관찰되었다. 또한, 온도 300 K와 비교하여 400, 500 K로 증가함에 따라 SiC기판의 drain 전류의 감소율은 다른 두 기판보다 적으며, 최고전달 컨덕턴스도 sapphir보다 큰 값을 가지며, 열 분배 능력이 더 뛰어났다.
T= 300 K에서 sapphire기판의 경우, VD=8 V에서의 최고 ID값은 236 mA/mm이며, VD=20 V에서의 ID값은 189mA/mm로 약 19 % 감소한다. 이에 반해서, SiC기판의 경우는 드레인 전류가 약 7 % 증가하는 경향을 보였고, Si기판의 경우는 드레인 전류 감소량은 9 % 이다. Sapphire는 SiC와 Si에 비하여 상대적으로 작은 열전도도로 인해서 열의 흐름이 원활하게 흐르지못해 thermal impedence의 증가로 인해 드레인 전류의 감소를 가져온다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고 전자 이동도 트랜지스터의 경우 소자응용에 가장 어려운 점은 무엇인가요?
하지만, wide band-gap 물질인 GaN 기반의 고 전자 이동도 트랜지스터 (high electron mobility transistor, HEMT)의 경우 소자응용에 가장 어려운 점은 GaN 물질의 높은 dislocation 밀도 (약 108~109㎝-2) 때문에 homoepitaxial growth을 위한 적합한 기판이 없다는 단점이 있다 [6]. 현재 이러한 기판 문제를 해결하기 위해 sapphire, SiC, AlN 등의 기판 또는 template으로 많은 연구가 진행되어 왔으며, 최근에는 비용의 문제로 인하여 Si 을 기판으로 사용하 려는 시도가 보이고 있다 [6-8].
sapphire, SiC, AlN 등의 기판들은 실제로 상업적인 목적으로의 이용에는 한계점이 노출되고 있는 이유는 무엇인가요?
또한, SiC 기판 역시 높은 비용과 dislocation의 발생으로 한계점을 가지고 있다 [9-10]. 그러므로, 이러한 기판들은 GaN와의 큰 격자불일치 (lattice mismatch), 열 팽창 계수의 차이 (thermal expansion coefficient), 높은 비용 등으로 인하여 실제로 상업적인 목적으로의 이용에는 한계점이 노출되고 있다.
GaN 기반의 HEMT 소자에서 가장 우선적으로 고려해야 할 점은 무엇인가요?
현재 이러한 기판 문제를 해결하기 위해 sapphire, SiC, AlN 등의 기판 또는 template으로 많은 연구가 진행되어 왔으며, 최근에는 비용의 문제로 인하여 Si 을 기판으로 사용하 려는 시도가 보이고 있다 [6-8]. 주로 고 전력효율·고온 동작에 유리한 특성을 갖는 GaN 기반의 HEMT 소자에서 가장 우선적으로 고려해 할 점은 소자의 열특성이다. Sapphire의 경우 가장 널리 이용되지만, 열전도도 (thermal conductivity)가 SiC에 비하여 불량 하기 때문에 소자의 열 문제로 인해 고전력 소자로서의 한계점을 가진다.
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