본 논문에서는 AlGaN/GaN HEMT의 DC 및 RF 특성을 최적화 하기위해서 2차원 소자 시뮬레이터를 이용하여 연구를 진행하였다. 먼저, AlGaN층의 두께, Al mole fraction 의 변화에 따른 2차원 전자가스 채널의 농도변화가 생기는 현상을 바탕으로 DC특성을 분석하였다. 다음 게이트, 소스, 드레인 전극의 크기와 위치 변화에 따른 RF 특성을 분석하였다. 그 결과 Al mole fraction이 0.2몰에서 0.45몰로 증가할수록 전달이득(transconductance, $g_m$) 과 I-V 특성이 향상됨을 확인하였다. 한편 AlGaN층의 두께가 10nm에서 50nm로 증가할수록 I-V특성은 향상되지만 $g_m$은 감소하는것을 확인하였다. RF 특성에서는 게이트 길이가 가장 큰 영향을 미치며 그 길이가 짧을수록 RF특성이 향상되는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 AlGaN/GaN HEMT의 DC 및 RF 특성을 최적화 하기위해서 2차원 소자 시뮬레이터를 이용하여 연구를 진행하였다. 먼저, AlGaN층의 두께, Al mole fraction 의 변화에 따른 2차원 전자가스 채널의 농도변화가 생기는 현상을 바탕으로 DC특성을 분석하였다. 다음 게이트, 소스, 드레인 전극의 크기와 위치 변화에 따른 RF 특성을 분석하였다. 그 결과 Al mole fraction이 0.2몰에서 0.45몰로 증가할수록 전달이득(transconductance, $g_m$) 과 I-V 특성이 향상됨을 확인하였다. 한편 AlGaN층의 두께가 10nm에서 50nm로 증가할수록 I-V특성은 향상되지만 $g_m$은 감소하는것을 확인하였다. RF 특성에서는 게이트 길이가 가장 큰 영향을 미치며 그 길이가 짧을수록 RF특성이 향상되는 것을 확인하였다.
In this paper, we investigated the characteristics of AlGaN/GaN HEMTs to optimize their DC and RF characteristics by using a two-dimensional device simulator. First, we analyzed the variation of the DC characteristics with respect to the variation of 2DEG concentrations when varying the Al mole frac...
In this paper, we investigated the characteristics of AlGaN/GaN HEMTs to optimize their DC and RF characteristics by using a two-dimensional device simulator. First, we analyzed the variation of the DC characteristics with respect to the variation of 2DEG concentrations when varying the Al mole fraction and the thickness of the AlGaN layer. Then, we examined the variation of the RF characteristics by varying the size and the location of the gate, source and drain electrodes. When the Al mole fraction increased from 0.2 to 0.45, both the transconductance and I-V characteristics increased. On the other hand, the I-V characteristics were improved but transconductance was decreased as the thickness of the AlGaN layer increased from 10nm to 50nm. In the RF characteristics, the gate length was found to be the most influential parameter, and the RF characteristics were improved when the gate length was shorten.
In this paper, we investigated the characteristics of AlGaN/GaN HEMTs to optimize their DC and RF characteristics by using a two-dimensional device simulator. First, we analyzed the variation of the DC characteristics with respect to the variation of 2DEG concentrations when varying the Al mole fraction and the thickness of the AlGaN layer. Then, we examined the variation of the RF characteristics by varying the size and the location of the gate, source and drain electrodes. When the Al mole fraction increased from 0.2 to 0.45, both the transconductance and I-V characteristics increased. On the other hand, the I-V characteristics were improved but transconductance was decreased as the thickness of the AlGaN layer increased from 10nm to 50nm. In the RF characteristics, the gate length was found to be the most influential parameter, and the RF characteristics were improved when the gate length was shorten.
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문제 정의
본 논문에서는 차세대 고출력, 고주파용 전력소자로 주목받고 있는 GaN HEMT의 연구를 위해 소자 모델링과 구조 최적화를 위한 DC 및 RF 특성을 확인하였다. Al-mole fraction 과 AlGaN 층의 두께에 대한 DC 특성 확인 결과 Al-mole fraction 이 0.
제안 방법
E는 electric field, α와 β는 각각 electron과 hole의 impact ionization coefficient를 나타낸다. AN, BN, AP, BP등은 물질 고유의 값으로 본 시뮬레이션에서는 여타 논문과 매뉴얼을 참고하여 적용하였으며 이 값은 AlGaN과 GaN 에 동일하게 적용되었다.
다음으로 Al-mole fraction을 0.3 으로 고정하고 AlGaN 층의 두께를 10 nm에서 50 nm로 변화시키며 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과를 그림 3에서 나타내고 있는데 AlGaN층의 두께가 증가할수록 분극에 의한 전계가 증가하면서 2DEG의 농도가 증가하는 모습을 확인할 수 있다.
이러한 고출력/고주파 소자에서 DC 및 RF특성은 소자의 성능을 좌우하게 되는데 AlGaN 층의 두께, Al mole fraction, 전극의 크기와 위치 등의 물리적인 요소에 의해 결정된다. 따라서 본 논문에서는 2차원 소자 시뮬레이터인 Silvaco 사의 ATLAS 프로그램을 이용하여 AlGaN 층의 두께와 Al mole fraction 에 따른 DC특성 분석과 전극의 크기와 위치에 따른 RF특성을 비교분석 하였다.[8]
AlGaN 층의 Al-mole fraction 은 AlGaN의 밴드갭을 형성하는데 중요한 역할을 하며 AlGaN/GaN 계면에서의 불연속성을 증가시킨다. 또한 분극효과에도 영향을 주어 결과적으로 2DEG 채널에 형성되는 전하량을 증가시키는데 이를 확인하였고 최적의 Al-mole fraction 값을 찾기 위해 0.1에서 0.45 로 변화시키며 시뮬레이션을 진행하였다.
이론/모형
본 시뮬레이션을 진행하기 위해 사용한 시뮬레이션 모델은 HEMT 소자에 인가되는 전계에 따른 캐리어의 거동에 대한 Fldmob (Field-Dependent Mobility) 모델, DDM(Drift Diffusion Mobility) 모델, Impact ionization 모델을 사용하였으며 시뮬레이션에서의 온도는 온도상승에 따른 전기적 특성의 변화를 제한하기 위하여 300K로 설정하였다. 아래의 표 1은 질화물 반도체의 물성값들을 나타내며 전자친화도, 밴드갭 에너지, 유전율, 이동도, 포화속도 등을 보여준다.
성능/효과
LG, LSG, LGD 에 따른 RF 특성 확인 결과 LG가 가장 큰 영향을 끼치며 LG 길이가 짧으면 짧을수록 fT, fmax가향상되는 것을 알 수 있었다. 이상에서의 연구 결과를 통하여 AlGaN/GaN HEMT 소자 제작 시 효과적인 방향을 제시하고 우수한 고출력/고전압을 달성할 수 있을 것으로 기대된다.
그림 2에서 확인할 수 있듯이 Al-mole fraction 이 증가함에 따라 2DEG 채널의 농도가 증가하기 때문에 그에 따라 드레인 전류와 Transconductance 증가하게 된다. 그림 4를 보면 Al-mole fraction 의 변화에 따른 Vg=0 V에서 드레인 전압을 0에서 10 V 까지 증가시키며 드레인 전류와 Transconductance 특성을 나타내는데 0.1, 0.2일 때는 드레인 전류가 흐르지 않으며 0.2이상일 때부터 흐르기 시작하여 0.45 까지 지속적으로 증가하며 트랜스 컨덕턴스 또한 증가하는 것을 확인하였다.
다음으로 AlGaN 층의 두께 변화에 따라 Vg=0 V에서 드레인 전압을 0에서 10 V 까지 증가시키며 드레인 전류와 트랜스 컨덕턴스 특성을 확인한 결과 그림 5에서와 같이 AlGaN층의 두께가 10, 50 nm 일 때는 드레인 전류가 흐르지 않으며 15 nm에서 23 mA/mm 로 시작하여 45 nm 일 때 363 mA/mm 까지 증가한다. 트랜스 컨덕턴스는 Id 특성에서와 동일하게 10,50 nm 일 때는 값이 나타나지 않았으며 15nm에서부터 나타나기 시작하여 45nm 에 이르기 까지는 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
3 사이의 값이 최적의 값으로 사료된다. 또한 AlGaN층의 두께는 10nm 이전과 50nm 때는 2DEG 채널이 형성되지 않으며 최소 15nm 이상에서 안정적인 DC특성이 나타나는 것을 확인하였다. 따라서 15～45nm 가 최적의 두께임을 알 수 있었다.
다음으로 AlGaN 층의 두께 변화에 따라 Vg=0 V에서 드레인 전압을 0에서 10 V 까지 증가시키며 드레인 전류와 트랜스 컨덕턴스 특성을 확인한 결과 그림 5에서와 같이 AlGaN층의 두께가 10, 50 nm 일 때는 드레인 전류가 흐르지 않으며 15 nm에서 23 mA/mm 로 시작하여 45 nm 일 때 363 mA/mm 까지 증가한다. 트랜스 컨덕턴스는 Id 특성에서와 동일하게 10,50 nm 일 때는 값이 나타나지 않았으며 15nm에서부터 나타나기 시작하여 45nm 에 이르기 까지는 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 위 그림 3에서 볼 수 있듯이 AlGaN 층의 두께 증가에 따라 2DEG 농도가 증가하기 때문에 드레인 전류 또한 증가하는 것이다.
후속연구
가향상되는 것을 알 수 있었다. 이상에서의 연구 결과를 통하여 AlGaN/GaN HEMT 소자 제작 시 효과적인 방향을 제시하고 우수한 고출력/고전압을 달성할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대용량의 정보를 빠르게 처리 하는 고도의 정보처리 기술이 가능한 고출력/고주파 소자가 절실히 요구되는 이유는 무엇인가?
최근 전자산업의 눈부신 발전과 무선 정보통신기술의 발전은 개인 휴대용 단말기에서부터 상업용, 군사용 밀리미터파 집적소자 에 이르기까지 그 수요가 점점 증가하고 있으며 이에 따라 대용량의 정보를 빠르게 처리 하는 고도의 정보처리 기술이 가능한 고출력/고주파 소자가 절실히 요구되고 있다.[1～3] 갈륨 나이트라이드 (GaN) 물질은 3.
갈륨 나이트라이드 (GaN) 물질을 이용하여 제작된 고전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistors)는 어떻게 접합면에 2차원 전자우물(2-Dimensional Electron Gas) 채널이 형성하는가?
3 W/cm 의 우수한 열전도도 등으로 인해 차세대 고출력/ 고주파 소자에 적합한 물질로서 활발히 연구가 진행되고 있는 추세이다.[4～6] 이러한 우수한 특성을 지닌 GaN 물질을 이용하여 제작된 고전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistors) 는 서로 다른 밴드갭 에너지를 가지는 AlGaN 과 GaN 물질을 접합시킴으로서 접합면에 2차원 전자우물(2-Dimensional Electron Gas) 채널이 형성되며 또한 GaN 와 AlGaN 간의 격자 상수 차이로 인하여 접합면에서 분극현상이 발생하게 되어서 일반적인 GaAs/AlGaAs HEMT 에 비해 채널의 전하량이 10배 이상 크기 때문에 빠른속도의 전자전송을 가능케 하는 이점을 갖고 있다.[7]
갈륨 나이트라이드 (GaN) 물질이 차세대 고출력/ 고주파 소자에 적합한 물질인 이유는 무엇인가?
최근 전자산업의 눈부신 발전과 무선 정보통신기술의 발전은 개인 휴대용 단말기에서부터 상업용, 군사용 밀리미터파 집적소자 에 이르기까지 그 수요가 점점 증가하고 있으며 이에 따라 대용량의 정보를 빠르게 처리 하는 고도의 정보처리 기술이 가능한 고출력/고주파 소자가 절실히 요구되고 있다.[1～3] 갈륨 나이트라이드 (GaN) 물질은 3.4 eV의 높은 밴드갭 에너지와 2x1017의 큰 전자포화 속도 및 1.3 W/cm 의 우수한 열전도도 등으로 인해 차세대 고출력/ 고주파 소자에 적합한 물질로서 활발히 연구가 진행되고 있는 추세이다.[4～6] 이러한 우수한 특성을 지닌 GaN 물질을 이용하여 제작된 고전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistors) 는 서로 다른 밴드갭 에너지를 가지는 AlGaN 과 GaN 물질을 접합시킴으로서 접합면에 2차원 전자우물(2-Dimensional Electron Gas) 채널이 형성되며 또한 GaN 와 AlGaN 간의 격자 상수 차이로 인하여 접합면에서 분극현상이 발생하게 되어서 일반적인 GaAs/AlGaAs HEMT 에 비해 채널의 전하량이 10배 이상 크기 때문에 빠른속도의 전자전송을 가능케 하는 이점을 갖고 있다.
참고문헌 (12)
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