[논문]고전압 GaN 쇼트키 장벽 다이오드의 완충층 누설전류 분석

황대원; 하민우; 노정현; 박정호; 한철구

고전압 GaN 쇼트키 장벽 다이오드의 완충층 누설전류 분석
Analysis for Buffer Leakage Current of High-Voltage GaN Schottky Barrier Diode 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SD, 반도체, v.48 no.2 = no.404, 2011년, pp.14 - 19

황대원 (고려대학교 전기전자전파공학부) , 하민우 (전자부품연구원 화합물소자연구센터) , 노정현 (전자부품연구원 화합물소자연구센터) , 박정호 (고려대학교 전기전자전파공학부) , 한철구 (전자부품연구원 화합물소자연구센터)

초록
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본 논문에서 실리콘 기판 위에 성장된 GaN 에피탁시를 활용하여 고전압 쇼트키 장벽 다이오드를 제작하였으며, 금속-반도체 접합의 열처리 조건에 따른 GaN 완충층 (buffer layer) 누설전류와 제작된 다이오드의 전기적 특성 변화를 연구하였다. Ti/Al/Mo/Au 오믹 접합과 Ni/Au 쇼트키 접합이 제작된 소자에 설계 및 제작되었다. 메사를 관통하는 GaN 완충층의 누설전류를 측정하기 위하여 테스트 구조가 제안되었으며 제작하였다. $700^{\circ}C$에서 열처리한 경우 100 V 전압에서 측정된 완충층의 누설전류는 87 nA이며, 이는 $800^{\circ}C$에서 열처리한 경우의 완충층의 누설전류인 780 nA보다 적었다. GaN 쇼트키 장벽 다이오드의 누설전류 메커니즘을 분석하기 위해서 Auger 전자 분광학 (Auger electron spectroscopy) 측정을 통해 GaN 내부로 확산되는 Au, Ti, Mo, O 성분들이 완충층 누설전류 증가에 기여함을 확인했다. 금속-반도체 접합의 열처리를 통해 GaN 쇼트키장벽 다이오드의 누설전류를 성공적으로 감소시켰으며 높은 항복전압을 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We have fabricated GaN Schottky barrier diode (SBD) for high-voltage applications on Si substrate. The leakage current and the electrical characteristics of GaN SBD are investigated by annealing metal-semiconductor junctions. Ohmic junctions of Ti/Al/Mo/Au and Schottky junctions of Ni/Au are used in the fabrication. A test structure is proposed to measured buffer leakage current through a mesa structure. When annealing temperature is increased from $700^{\circ}C$ to $800^{\circ}C$, measured buffer leakage current is also increased from 87 nA to 780 nA at the width of 100 ${\mu}m$. The diffusion of Au, Ti, Mo, O into GaN buffer layer increases the leakage current and that is verified by Auger electron spectroscopy. Experimental results show that the low leakage current and the high breakdown voltage of GaN SBD are achieved by annealing metal-semiconductor junctions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 실리콘 기판 위 성장된 GaN 에피탁시를 이용하여 고전압 GaN 쇼트키 장벽 다이오드를 제작하였다. 소자의 오믹 접합과 쇼트키 접합의 열처리를 통하여 전기적 특성 개선이 연구되었다.
본 논문의 목적은 고전압 GaN 쇼트키 장벽 다이오드의 누설전류 메커니즘 분석이다. 고전압 GaN 쇼트키 장벽 다이오드는 제작되었으며 측정되었다.

제안 방법

Auger 전자 분광학 측정방법을 이용하여 열처리 온도에 따른 오믹 금속의 확산과 누설전류의 상관관계를 분석하였다. GaN 완충층의 누설전류를 줄이기 위해서는 낮은 온도에서 오믹 접합 열처리를 함으로서 오믹 금속 및 O의 확산을 억지해야 한다.
GaN 완충층을 흐르는 누설전류 분석을 위해 두 오믹 접합 사이에 메사 구조가 위치한 테스트 구조가 제안되었으며 제작되었다. GaN 쇼트키 장벽 다이오드의 누설전류 분석을 위해서 오믹 접합 열처리 조건에 따른 Auger 전자 분광학 (Auger electron spectroscopy)을 진행 하였으며, GaN 완충층으로 오믹 금속의 확산이 분석되었다.
고전압 GaN 쇼트키 장벽 다이오드는 제작되었으며 측정되었다. GaN 완충층을 흐르는 누설전류 분석을 위해 두 오믹 접합 사이에 메사 구조가 위치한 테스트 구조가 제안되었으며 제작되었다. GaN 쇼트키 장벽 다이오드의 누설전류 분석을 위해서 오믹 접합 열처리 조건에 따른 Auger 전자 분광학 (Auger electron spectroscopy)을 진행 하였으며, GaN 완충층으로 오믹 금속의 확산이 분석되었다.
고전압 쇼트키 다이오드를 제작하기 위해서 오믹 접합의 열처리 조건에 따른 표면 및 완충층의 누설전류를 테스트 구조를 이용하여 측정하였다. 그림 3은 Keithley 4200 반도체 특성 분석 장비를 이용하여 메사 구조를 관통하는 누설전류를 측정한 결과이다.
3.3 쇼트키 접합 특성 향상

상기 실험을 통해 Ti/Al/Mo/Au의 오믹 접합을 700℃에서 30 초 동안 열처리를 했을 때 표면 및 완충층의 누설전류 특성이 우수함을 확인했고, 이후 Ni/Au 쇼트키 접합 금속을 증착하여 GaN 쇼트키 장벽 다이오드 소자를 제작하였다. 그리고 역방향 바이어스에서 소자의 안정적인 쇼트키 장벽 형성을 위해 쇼트키 접합이 질소 분위기에서 RTA 공정으로 450℃에서 3 분간 열처리되었다^[10].
소자간 절연하기 위해서 포토리소그라피 공정으로 포토 레지스트 패턴을 만든 후 BCl3, Cl2 가스를 이용한 유도 결합 플라즈마 식각 공정으로 1 μm 깊이의 메사 구조를 형성하였다.
그림 6은 GaN 쇼트키 장벽 다이오드의 측정된 항복전압이다. 소자의 항복전압은 커브 트레이서를 이용하여 측정되었다. Ni/Au 쇼트키 접합의 열처리를 통하여 누설전류 특성이 개선되었고, 제작된 소자는 애노드와 캐소드 전극간의 거리가 5 μm 및 20 μm인 경우 364 V 및 415 V의 항복전압을 획득하였다.
쇼트키 접합 열처리 후 (2) 식을 이용하여 전류-전압 측정 방법으로 0.53 eV의 쇼트키 장벽 높이를 구했다. (3) 식에서 Ni의 일함수 Φ_m은 5.
소자의 쇼트키 접합 형성을 위해 세척과 포토리소그라피 공정을 진행한 다음 전자빔 증착기를 이용하여 Ni/Au가 20/500 nm 증착되었고 리프트-오프되었다. 안정된 쇼트키 장벽 형성과 누설전류의 개선을 위해 RTA 공정으로 450℃에서 180초 동안 열처리를 하였다.
열처리 온도에 따라서 메사 구조를 관통하는 두 오믹 접합 사이의 누설전류 변화를 측정하였고, 실제 열처리 온도에 따른 Ti의 GaN 완충층으로 확산이나 다른 금속들의 확산이 누설전류에 미치는 영향을 분석하기 위해 Auger 전자 분광학 측정을 하였다. 가속전압 5 keV의 전자선을 이용하였고 스퍼터링 속도는 14.
이후 7×10^-7 Torr의 진공도에서 전자빔 증착기로 Ti/Al/Mo/Au (10/40/25/200 nm)가 증착되었으며, 리프트-오프 되었다. 오믹 접합 저항을 감소시키기 위해서 rapid thermal annealing (RTA) 공정으로 700℃ 에서 30 초 동안 열처리를 진행하였다. 소자의 쇼트키 접합 형성을 위해 세척과 포토리소그라피 공정을 진행한 다음 전자빔 증착기를 이용하여 Ni/Au가 20/500 nm 증착되었고 리프트-오프되었다.
실험에서 오믹 접합의 열처리 조건에 따른 GaN 완충층의 누설전류를 측정한 결과 700℃에서 더 낮은 누설전류가 측정되었다. 오믹 접합의 열처리 조건에 따른 GaN 완충층의 누설전류의 분석을 위해 Auger 전자 분광학으로 오믹 금속 확산을 측정 분석을 하였다.

대상 데이터

GaN 완충층의 누설전류 측정을 위하여 두 오믹 접합 사이에 1 μm 깊이의 메사가 위치한 구조가 제작되었다.
본 논문의 목적은 고전압 GaN 쇼트키 장벽 다이오드의 누설전류 메커니즘 분석이다. 고전압 GaN 쇼트키 장벽 다이오드는 제작되었으며 측정되었다. GaN 완충층을 흐르는 누설전류 분석을 위해 두 오믹 접합 사이에 메사 구조가 위치한 테스트 구조가 제안되었으며 제작되었다.

이론/모형

700℃ 및 800℃에서 오믹 접합을 열처리 한 경우 TLM (transmission line method)를 이용하여 각각 14.5Ω-mm와 0.4 Ω-mm의 오믹 접합 저항을 얻었다.

성능/효과

소자의 오믹 접합과 쇼트키 접합의 열처리를 통하여 전기적 특성 개선이 연구되었다. GaN 표면 위 Ti/Al/Mo/Au가 증착된 후 700℃에서 열처리 했을 때 측정된 누설전류는 800℃에서 열처리 했을 때보다 낮게 측정 되었고 Auger 전자 분광학을 통해 Au, Ti, Mo, O 성분들은 금속에서 GaN으로 확산하여 누설전류 증가에 기여함을 확인했다. Ni/Au를 증착하여 형성한 쇼트키 접합은 450℃에서 열처리 하였을 때 누설전류의 개선이 있었으며 415 V의 항복전압이 측정되었다.
실험에서 오믹 접합의 열처리 조건에 따른 GaN 완충층의 누설전류를 측정한 결과 700℃에서 더 낮은 누설전류가 측정되었다. 오믹 접합의 열처리 조건에 따른 GaN 완충층의 누설전류의 분석을 위해 Auger 전자 분광학으로 오믹 금속 확산을 측정 분석을 하였다.
Ni/Au를 증착하여 형성한 쇼트키 접합은 450℃에서 열처리 하였을 때 누설전류의 개선이 있었으며 415 V의 항복전압이 측정되었다. 제안된 금속-반도체 접합의 열처리를 통해 GaN 쇼트키 장벽 다이오드내 완충층의 누설전류는 줄이고 높은 항복전압을 구현하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GaN의 특징은?	갈륨 나이트라이드 (GaN), 탄화규소 (SiC), 다이아몬드와 같은 큰 밴드-갭을 가지는 반도체 소자들은 높은 온도와 높은 전압에서 뛰어난 안정성을 가지며 고출력 소자로서 주목을 받고 있다[1]. 그 중 GaN는 높은 전자 이동도와 높은 항복전계를 가지며 에너지 효율이 우수하기 때문에 꾸준히 연구되고 있다[2～4]. 우수한 전기적 특성을 가지는 GaN 쇼트키 장벽 다이오드는 전력 시스템의 에너지 효율을 개선시키기 위해 종래 실리콘 다이오드를 대체 가능하며 고전압 안정성을 확보하기 위해 높은 항복전압의 개발이 필요하다.
	에피 구조는 어떻게 이루어져있는가?	GaN 쇼트키 장벽 다이오드 제작에 사용된 에피 구조는 유기 금속 화학 증착법으로 성장되었다. 에피 구조는 실리콘 기판 위 전이층, 1 μm 두께의 도핑되지 않은 GaN 완충층, 0.2 μm 두께의 도핑된 GaN 채널층으로 이루어져 있다. 도핑된 GaN 채널층의 농도는 5×1017 cm-3 이다.
	본 연구에서 측정된 쇼트키 장벽 높이는 이상적인 쇼트키 장벽 높이보다 낮은 이유는?	측정된 쇼트키 장벽 높이는 이상적인 쇼트키 장벽 높이보다 낮았다. 그 이유는 본 연구에 이용된 GaN 에피탁시의 채널층 도핑농도가 5×1017cm-3 로 상대적으로 높고 (4) 식에 의하면 도핑농도와 공핍영역의 크기는 반비례하기 때문이다. 도핑농도에 의해 공핍영역 크기가 감소하고 소자에 흐르는 포화 전류 밀도가 증가하여 (2) 식에 의해 쇼트키 장벽의 높이가 감소하였다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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