[논문]사다리꼴 게이트 구조를 갖는 고내압 AlGaN/GaN HEMT

김재무; 김수진; 김동호; 정강민; 최홍구; 한철구; 김태근

사다리꼴 게이트 구조를 갖는 고내압 AlGaN/GaN HEMT
High Breakdown-Voltage AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistor having a Trapezoidal Gate Structure 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SD, 반도체, v.46 no.4 = no.382, 2009년, pp.10 - 14

김재무 (고려대학교 전자전기공학과) , 김수진 (고려대학교 전자전기공학과) , 김동호 (고려대학교 전자전기공학과) , 정강민 (고려대학교 전자전기공학과) , 최홍구 (한국전자부품연구원 전자소재패키징연구센터) , 한철구 (한국전자부품연구원 전자소재패키징연구센터) , 김태근 (고려대학교 전자전기공학과)

초록
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본 논문에서는 항복 전압 특성을 향상시키기 위한 사다리꼴 게이트 구조의 AlGaN/GaN HEMT구조를 제안하였으며 그 실현 가능성을 2차원 소자 시뮬레이터를 통해 조사하였다. 사다리꼴 게이트 구조의 사용으로 드레인 방향의 게이트 모서리 부근에서 나타나는 전계의 집중을 효과적으로 분산되는 것이 시뮬레이션 결과에서 확인 되었다. 제안된 사다리꼴 게이트 AlGaN/GaN HEMT 소자 구조에서 2DEG 채널을 따라 형성되는 전계의 피크값은 4.8 MV/cm 에서 3.5 MV/cm 로 기존 구조의 AlGaN/GaN HEMT에 비해 30% 가량 감소하였으며, 그 결과로 인해 항복 전압은 49 V 에서 69 V 로 40 % 가량 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We propose a trapezoidal gate AlGaN/GaN high electron mobility transistor(HEMT) to improve the breakdown voltage characteristics and its feasibility is investigated by two-dimensional device simulations. The use of a trapezoidal gate structure appears to be quite effective in dispersing the electric fields concentrated near the gate edge on the drain side from the simulation result. We find that a peak value of the electric field along the 2-DEG channel is reduced by 30%, from 4.8 to 3.5 MV/cm and thereby, the breakdown voltage(Vbr) of the proposed AlGaN/GaN HEMT is increased by about 40%, from 49 to 69 V, compared to those of the standard AlGaN/GaN HEMT.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 높은 항복 전압 특성을 가지는 사다리꼴 게이트 AIGaN/GaN HEMT가 제안되었으며 2차원 시뮬레이션으로 전계 분포와 항복 전압 특성을 확인하여 검증하였다. 사다리꼴 게이트 AIGaN/GaN HEMT는 드레인 방향의 게이트 모서리에 집중되는 전계를 효과적으로 분산시켰으며, 기존 소자에서 게이트 모서리 전계의 피크값이 4.
본 논문에서는 이러한 FP 구조의 단점을 보완하면서전계가 고르게 분포되도록 하기 위하여 사다리꼴 형태의 게이트를 갖는 AlGaN/GaN HEMT 구조를 제안하였다. 사다리꼴 게이트는 FP 구조와 같은 전계 분산효과를 가지면서도 게이트 모서리 부분의 완만한 변화로 인해 전계의 집중을 보다 완화 시킬 수 있으며, 추가적인 캐패시턴스를 최소화 하고, 기존 공정을 그대로 이용하면서 그 과정이 복잡하지 않은 장점을 가지고 있다.

가설 설정

또한, AIGaN/GaN 이종접합 구조에서 압전효과 (Piezoelectric effect) 및 자발 분극 (Spontaneous polarization)으로 인해 AIGaN/GaN 계면에 형성되는 양의 면전하 농도(positive sheet charge density, +Opoi) 의 크기는 약 L0xl0%m2 으로 가정하였으며, 같은 농도의 음의 면전하(negative charge density, -间)가 AlGaN 표면에 정의 하였다. 모델의 수치 계산에는 newton numerical method가 사용되었으며, 시뮬레이션에서의 온도 기본값은 300K이다'
본 논문에서 소스와 드레인 전극은 완벽한 오믹으로가정하였고, 게이트 전극의 숏트키 장벽(<DB)은 1.6 V로 계산되었다®;.

제안 방법

7N층위에 전극들이 위치되어 있으며, Si3N₄로 passivation을하였다. 또한 드레인과 소스의 오믹(Ohmic) 컨택을 위하여 드레인과 소스가 채널과 맞닿아 있는 구조를 사용하였다. 게이트의 길이(LG)는 1 um이며, 소스와 게이트 간의 거리 (LSG)는 1 um, 게이트와 드레인 사이의 거리 (LGD)는 4 um이고, 사다리꼴 구조에서 연장된 부분의 길이 (LFP) 는 1.
본 연구를 수행하기 위하여 기본 구조와 사다리꼴 게이트 구조의 AlGaN/GaN HEMT 구조를 시뮬레이션하여 비교하였으며, 그 단면도를 그림 1에 나타내었다. 연구에서 사용된 AlGaN/GaN HEMT 구조는 비의도적으로 도핑된 (Unintentionally doped, UID) 1 um 의 GaN-buffer 와 도핑되지 않은 25 nm의 A10.
사다리꼴 게이트는 FP 구조와 같은 전계 분산효과를 가지면서도 게이트 모서리 부분의 완만한 변화로 인해 전계의 집중을 보다 완화 시킬 수 있으며, 추가적인 캐패시턴스를 최소화 하고, 기존 공정을 그대로 이용하면서 그 과정이 복잡하지 않은 장점을 가지고 있다. 이를 확인하기 위하여 Silvaco社의 ATLAS를 이용한 2차원 소자 전산모사를 통하여 소자에서의 전계 및 채널에서의 전계 분포를 분석하고 전류-전압 특성에서 항복 전압의 향상을 확인하였다日.

대상 데이터

연구에서 사용된 AlGaN/GaN HEMT 구조는 비의도적으로 도핑된 (Unintentionally doped, UID) 1 um 의 GaN-buffer 와 도핑되지 않은 25 nm의 A10.3Ga0.7N층위에 전극들이 위치되어 있으며, Si3N₄로 passivation을하였다. 또한 드레인과 소스의 오믹(Ohmic) 컨택을 위하여 드레인과 소스가 채널과 맞닿아 있는 구조를 사용하였다.

이론/모형

항복 전압 전산모사를 위해 Impact ionization model 을 사용하였으며, 그 일반적인 수식은 다음과 같다.

성능/효과

두 구조 모두 게이트의 모서리 부분에서 전계의 피크 값이 형성되는 것을 확인할 수 있으며 사다리꼴 게이트 구조에서는 게이트에서 드레인 방향으로 전계가 넓게 분산되는 것을 볼 수 있다. 기존 구조와 사다리꼴 게이트 구조에서 전계의 피크값은 각각 4.8 MV/cm에서 3.5 MV/cm로 사다리꼴 게이트 구조에서 약 30 %정도 감소하였다.
보여준다. 두 구조 모두 게이트의 모서리 부분에서 전계의 피크 값이 형성되는 것을 확인할 수 있으며 사다리꼴 게이트 구조에서는 게이트에서 드레인 방향으로 전계가 넓게 분산되는 것을 볼 수 있다. 기존 구조와 사다리꼴 게이트 구조에서 전계의 피크값은 각각 4.
발생하지만, 사다리꼴 구조의 HEMT에서는 약 69 V 부근에서Breakdown0] 발생함으로써, 약 40 %가량 향상된 특성을 보여준다.
검증하였다. 사다리꼴 게이트 AIGaN/GaN HEMT는 드레인 방향의 게이트 모서리에 집중되는 전계를 효과적으로 분산시켰으며, 기존 소자에서 게이트 모서리 전계의 피크값이 4.8 MV/cm 였던 것에 비하여, 제안된 소자의 게이트 모서리 전계의 피크값은 3.5 MV/cm로 30 % 감소되었다.
이로 인하여 제안된 소자의 항복전압이 증가하였으며 항복 전압은 49 V에서 69 V로40 % 증가하였다. 사다리꼴 게이트 AIGaN/GaN HEMT는 기존의 Fieldplate 구조와 비슷한 역할을 하면서도 게이트 모서리에서의 급격한 변화와 추가적인 캐패시턴스의 발생을 최소화할 수 있으며 구조가 간단하기 때문에 기존의 감마 (Gamma, 「)형 게이트 등을 대신하여 고전압 스위치 소자 분야에 이용될 수 있다.

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