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AlGaN/GaN HEMT의 채널폭 스케일링에 따른 협폭효과

Narrow channel effect on the electrical characteristics of AlGaN/GaN HEMT

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.17 no.1, 2013년, pp.71 - 76  

임진홍 (Dept. of Semiconductor Science and Technology, Chonbuk National University) ,  김정진 (Dept. of Semiconductor Science and Technology, Chonbuk National University) ,  심규환 (Dept. of Semiconductor Science and Technology, Chonbuk National University) ,  양전욱 (Dept. of Semiconductor Science and Technology, Chonbuk National University)

초록
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본 연구에서는 AlGaN/GaN HEMT (High electron mobility transistor)를 제작하고 채널폭의 감소에 따른 특성의 변화를 고찰하였다. AlGaN/GaN 이종접합구조 기반의 기판 위에 채널의 길이는 $1{\mu}m$, 채널 폭은 각각 $0.5{\sim}9{\mu}m$가 되도록 전자선 리소그라피 방법으로 트랜지스터를 제작하였다. 게이트를 형성하지 않은 상태에서 채널의 면저항을 측정한 결과 sub-${\mu}m$ 크기로 채널폭이 작아짐에 따라 채널의 면저항이 급격히 증가하였으며, 트랜지스터의 문턱전압$1.6{\mu}m$$9{\mu}m$의 채널폭에서 -2.85 V 이었으며 $0.9{\mu}m$의 채널폭에서 50 mV의 변화, $0.5{\mu}m$에서는 350 mV로 더욱 큰 변화를 보였다. 트랜스컨덕턴스는 250 mS/mm 내외의 값으로부터 sub-${\mu}m$ 채널에서 150 mS/mm로 채널폭에 따라 감소하였다. 또한, 게이트의 역방향 누설전류는 채널폭에 따라 감소하였으나 sub-${\mu}m$ 크기에서는 감소가 둔화되었는데 채널폭이 작아짐에 따라 나타는 이와 같은 일련의 현상들은 AlGaN 층의 strain 감소로 인한 압전분극 감소가 원인이 되는 것으로 사료된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

AlGaN/GaN HEMTs (High electron mobility transistors) with narrow channel were fabricated and the effect of channel scaling on the device were investigated. The devices were fabricated using e-beam lithography to have same channel length of $1{\mu}m$ and various channel width from 0.5 to <...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 저전력 고속동작을 하는 AlGaN/GaN HEMT 소자를 만들기 위하여 좁은 게이트 폭의 소자의 제작이 필요하다. 본 연구에서는 AlGaN/GaN 구조의 HEMT를 제작하고 저전력으로 동작시킬 수 있도록 게이트 폭을 감소시킬 때 나타나는 HEMT의 특성변화에 대하여 고찰하였다.
  • 본 연구에서는 메사식각을 이용하여 각 소자를 절연하는 방법으로 제작된 AlGaN/GaN HEMT에서 채널의 폭을 좁게 하였을 때 나타나는 협폭효과에 대하여 실험하였다. 게이트를 형성하지 않은 상태에서 채널의 면저항을 측정한 결과 sub-㎛ 크기로 채널폭이 작아짐에 따라 채널의 면저항이 급격히 증가함을 확인하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
10 ㎛ 와 1.6 ㎛의 채널폭을 갖는 트랜지스터의 전류밀도는 550∼600 mA/mm로 비슷한 값을 나타냈지만 채널폭이 1 ㎛ 이하로 감소한 경우 400 mA/mm 이하로 드레인 전류 특성이 눈에 띄게 낮아졌는데 이것이 의미하는 바는? 6 ㎛의 채널폭을 갖는 트랜지스터의 전류밀도는 550∼600 mA/mm로 비슷한 값을 나타냈지만 채널폭이 1 ㎛ 이하로 감소한 경우 400 mA/mm 이하로 드레인 전류 특성이 눈에 띄게 낮아졌다. 이는 채널 폭의 감소에 따라 sub-㎛ 크기로 줄어들면서 AlGaN에 의한 스트레인의 감소가 나타나고 이에 따라 캐리어 농도가 감소하는 것을 의미한다. 스트레인과 함께 전류 감소의 또 다른 요인으로는 소스저항의 증가를 들 수 있다.
GaN의 장점은? GaN는 3.4 eV의 넓은 밴드 갭과 물리적, 화학적 안정성을 바탕으로 광소자와 전자소자에 널리 응용되고 있다. 특히 AlGaN/GaN의 이종접합은 1×1013/cm2 이상의 매우 높은 전자밀도와 2,000 cm2/V·s의 높은 이동도 특성을 갖는 이차원전자 (2-dimensional electron gas; 2-DEG) 층 형성이 가능하여 고전력, 고주파에 적용 가능한 high electron mobility transistor (HEMT)의 제작에 많이 이용된다.
AlGaN/GaN의 이종접합은 어떤 것의 제작에 많이 이용되는가? 4 eV의 넓은 밴드 갭과 물리적, 화학적 안정성을 바탕으로 광소자와 전자소자에 널리 응용되고 있다. 특히 AlGaN/GaN의 이종접합은 1×1013/cm2 이상의 매우 높은 전자밀도와 2,000 cm2/V·s의 높은 이동도 특성을 갖는 이차원전자 (2-dimensional electron gas; 2-DEG) 층 형성이 가능하여 고전력, 고주파에 적용 가능한 high electron mobility transistor (HEMT)의 제작에 많이 이용된다.[1]-[5] 최근 AlGaN/GaN 구조의 HEMT는 수십 W급 이상의 전력운용이 가능한 모듈에 적용될 수 있도록 개발되고 있으며 normally-on 상태의 동작특성과 on 저항의 감소 등을 꾀하기 위한 많은 연구가 수행되고 있다.
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참고문헌 (9)

  1. D. Krausse, F. Benkhelifa, R. Reiner, R. Quay, O. Ambacher, "AlGaN/GaN Power amplifiers for ISM applications", Solid-State Electron., Vol. 74, p. 108 (2012) 

  2. T. Oka, and T. Nozawa, "AlGaN/GaN Recessed MIS-Gate HFET With High Threshold Voltage Normally-Off Operation for Power Electronics Applications", IEEE Electron Dev Lett., Vol. 29, No. 7, p. 668 (2008) 

  3. Vetury, R., Zhang, N.Q., Keller, S., and Mishra, U. K., "The Impact of Surface States on the DC and RF Characteristics of AlGaN/GaN HFETs", IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 48, No. 3, p. 560 (2001) 

  4. T. Palacios, A. Chakraborty, S. Rajan, C. Poblenz, S. Keller, S. P. Denbaars, J. S. Speck, and U. K. Mishra, "High-power AlGaN/GaN HEMTs for Ka-band applications," IEEE Electron Device Lett., Vol. 26, no. 11, p. 781 (2005) 

  5. W. Saito, T. Domon, I. Omura, M. Kuraguchi, Y. Takada, K. Tsuda, M. Yamaguchi, "Demonstration of 13.56-MHz Class-E Amplifier Using a High-Voltage GaN Power-HEMT", IEEE Electron Device Lett., Vol. 27, No. 5, p. 326 (2006) 

  6. Ki-Sik Im, Jong-Bong Ha, Ki-Won Kim, Jong-Sub Lee, Dong-Seok Kim, Sung-Ho Hahm, and Jung-Hee Lee, "Normally Off GaN MOSFET Based on AlGaN/GaN Heterostructure With Extremely High 2DEG Density Grown on Silicon Substrate", IEEE Electron Device Lett., Vol. 31, No. 3, p. 192 (2010) 

  7. Naohisa Harada, Yujin Hori, Naoki Azumaishi, Kota Ohi, and Tamotsu Hashizume, "Formation of Recessed-Oxide Gate for Normally-Off AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors Using Selective Electrochemical Oxidation", Appl. Phys. Express, Vol. 4, p. 021002 (2011) 

  8. S. Maroldt, C. Haupt, W. Pletschen, S. Muller, R. Quay, O. Ambacher, C. Schippel, and F. Schwierz, "Gate-recessed AlGaN/GaN based enhancement-mode high electron mobility transistors for high frequency operation", Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 48, p. 04C083 (2009) 

  9. O. Ambacher et al., "Two-dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization charges in N- and Ga-face AlGaN/GaN heterostructure", J. Appl. Phys. Vol. 85, No. 6, p. 3222 (1999) 

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