[논문]고항복전압 MHEMT 전력소자 설계

손명식

doi:10.5757/jkvs.2013.22.6.335

고항복전압 MHEMT 전력소자 설계
Simulation Design of MHEMT Power Devices with High Breakdown Voltages 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.22 no.6, 2013년, pp.335 - 340

초록
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본 논문은 InP 식각정지층을 갖는 MHEMT 소자의 항복전압을 증가시키기 위한 시뮬레이션 설계 논문이다. MHEMT 소자의 게이트 리세스 구조 및 채널 구조를 변경하여 시뮬레이션을 수행하였고 비교 분석하였다. MHEMT 소자의 드레인 측만을 완전히 제거한 비대칭 게이트 리세스 구조인 경우 $I_{dss}$ 전류가 90 mA에서 60 mA로 줄어들지만 항복 전압은 2 V에서 4 V로 증가함을 확인하였다. 이는 $Si_3N_4$ 보호층과 InAlAs 장벽층 사이의 계면에서 형성되는 전자-포획 음의 고정전하로 인해 채널층에서의 전자 공핍이 심화되어 나타나는 현상으로 이는 채널층의 전류를 감소시켜 충돌이온화를 적게 형성시켜 항복전압을 증가시킨다. 또한, 동일한 구조의 비대칭 게이트 리세스 구조에서 채널층을 InGaAs/InP 복합 채널로 바꾸어 설계한 구조에서는 항복전압이 5 V로 증가하였다. 이는 높은 드레인 전압에서 InP 층의 적은 충돌이온화와 이동도로 인해 전류가 더 감소했기 때문이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is for the simulation design to enhance the breakdown voltage of MHEMTs with an InP-etchstop layer. Gate-recess and channel structures has been simulated and analyzed for the breakdown of the MHEMT devices. The fully removed recess structure at the drain side of MHEMT shows that the breakdown voltage enhances from 2 V to almost 4 V as the saturation current at gate voltage of 0 V is reduced from 90 mA to 60 mA at drain voltage of 2 V. This is because the electron-captured negatively fixed charges at the drain-side interface between the InAlAs barrier and the $Si_3N_4$ passivation layers deplete the InGaAs channel layer more and thus decreases the electron current passing the channel layer and thus the impact ionization in the channel become smaller. In addition, the replaced InGaAs/InP composite channel with the same thickness in the same asymmetrically recessed structure increases the breakdown voltage to 5 V due to the smaller impact ionization and mobility of the InP layer at high drain voltage.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 100 GHz 이상 대역에서 사용 가능한 MHEMT 전력소자를 개발하기 위해 진행하였으며, 제작된 InAlAs/ InGaAs/GaAs MHEMT소자의 DC/RF 특성에 대해 ISE사의 DESSIS소자 시뮬레이터의 2차원 Hydrodynamic 전송 모델을 이용한 파라미터 보정 시뮬레이션을 수행하여 실험 데이터와 잘 일치하는 파라미터 보정 결과를 얻었다 [3-5]. 이러한 보정된 시뮬레이션 파라미터를 바탕으로 InP 식각 정지층을 갖는 에피구조를 최적화 설계(수직 스케일링) 연구를 수행하였고, 새로이 설계한 에피구조에 대한 DC/RF 특성을 예측하여 에피구조 특성을 분석하였다.

가설 설정

Figure 2. The gate-recess structures of a MHEMT; (a) Narrowly recessed structure, (b) Fully removed InGaAs capping layer and InP etchstop layer at the drain side only as those of the source side remains.

제안 방법

1과 같은 에피구조를 제안 설계하였다 [8]. Fig. 1의 에피구조에서 보는 바와 같이 DC/RF 특성을 개선시키기 위해 7 nm InAlAs 장벽층 및 10 nm InGaAs 채널층 감소에 따른 양자화 효과 고려 및 그에 따른 표면 효과 개선을 위해 6 nm InP 식각정지층 삽입을 통해 에피구조를 최적화 설계하였다. InGaAs 채널층 두께에 따른 에너지갭 양자화 효과 및 InP 식각정지층 삽입에 의한 표면 효과가 개선됨을 보였다.
이러한 보정된 시뮬레이션 파라미터를 바탕으로 InP 식각 정지층을 갖는 에피구조를 최적화 설계(수직 스케일링) 연구를 수행하였고, 새로이 설계한 에피구조에 대한 DC/RF 특성을 예측하여 에피구조 특성을 분석하였다. InP 에피층의 정확한 물성 파라미터 보정 작업을 수행하였으며, 발표된 문헌들을 참조하여 중요한 물질 파라미터들(충돌 이온화 계수, 도핑 농도에 따른 이동도 감소 파라미터, 표동 속도 포화 파라미터)을 설정하였다 [5-10].
또한 정확한 항복 특성 예측하기 위해 InP 에피층의 도핑에 따른 이동도 감소 모델 파라미터 및 충돌 이온화 모델 계수, 그리고 표동 속도 포화 모델 파라미터에 대한 파라미터 보정 작업을 수행하였다. 또한 전력 소자로서 높은 전력 출력을 보이기 위해서는 소자의 출력 전력을 제한하는 낮은 항복 전압을 높이는 것이 필수적이다.
본 논문에서는 이러한 낮은 On-항복 전압을 개선하기 위해 게이트 리세스 구조를 변화시키면서 표면 효과에 따른 DC/RF 특성 및 항복 전압을 시뮬레이션하였고, 또한 채널 구조를 InGaAs/InP의 복합 채널 구조로 변경하여 그 결과를 비교 분석하였다.
본 논문에서는 이전 연구에서 제안된 InP 식각정지층 (Etch-stop layer)을 갖는 에피구조에서 낮은 항복 전압을 개선하기 위해 게이트 리세스(recess) 구조 및 InGaAs/ InP 복합 채널 구조로 변경하여 항복 전압을 시뮬레이션하였고 DC/RF 특성을 비교 분석하였다. 이를 통해 고항복전압 MHEMT 전력소자 의 에피구조 및 게이트 리세스 구조를 설계 제안한다.
위에서 언급한 드레인측 비대칭 게이트 리세스 구조에서 항복전압을 보다 더 개선하기 위하여 채널층을 InGaAs/ InP 복합 채널로 변경하면 높은 드레인 전압에서는 전류가 InGaAs 채널층 아래쪽의 InP 채널층을 거쳐 흐르게 되므로 InGaAs에 비해 낮은 이동도와 충돌이온화 계수를 갖는 InP 채널층을 삽입한 복합 채널 구조를 갖도록 변경하여 항복전압 시뮬레이션을 수행하였다. InGaAs/InP 복합 구조는 높은 드레인 전압에서 InP 채널층을 통해 흐르는 전류에 의한 충돌이온화 계수가 작아지므로 애벌런치 항복전 압을 개선할 수 있다.
본 연구는 100 GHz 이상 대역에서 사용 가능한 MHEMT 전력소자를 개발하기 위해 진행하였으며, 제작된 InAlAs/ InGaAs/GaAs MHEMT소자의 DC/RF 특성에 대해 ISE사의 DESSIS소자 시뮬레이터의 2차원 Hydrodynamic 전송 모델을 이용한 파라미터 보정 시뮬레이션을 수행하여 실험 데이터와 잘 일치하는 파라미터 보정 결과를 얻었다 [3-5]. 이러한 보정된 시뮬레이션 파라미터를 바탕으로 InP 식각 정지층을 갖는 에피구조를 최적화 설계(수직 스케일링) 연구를 수행하였고, 새로이 설계한 에피구조에 대한 DC/RF 특성을 예측하여 에피구조 특성을 분석하였다. InP 에피층의 정확한 물성 파라미터 보정 작업을 수행하였으며, 발표된 문헌들을 참조하여 중요한 물질 파라미터들(충돌 이온화 계수, 도핑 농도에 따른 이동도 감소 파라미터, 표동 속도 포화 파라미터)을 설정하였다 [5-10].
또한 전력 소자로서 높은 전력 출력을 보이기 위해서는 소자의 출력 전력을 제한하는 낮은 항복 전압을 높이는 것이 필수적이다. 이를 신뢰성 있게 예측 적용하기 위해서는 InP 에피층 시뮬레이션 디폴트 값의 타당성 검증 및 참고 문헌을 토대로 비교적 타당성 있는 충돌 이온화 모델 파라미터를 보정하였다 [8].
정확한 항복전압 시뮬레이션을 위해서 InGaAs 채널층의 두께 감소에 따른 양자화 효과를 고려해야 한다 [5]. 이를 위해서 10 nm InGaAs 캡층 두께에 대해서는 0.788 eV로 5 nm InGaAs 채널층에 대해서는 0.85e V로 에너지갭을 변경 설정하여 시뮬레이션을 수행함으로써 양자화 효과를 모델링하였다 [9].
본 논문에서는 이전 연구에서 제안된 InP 식각정지층 (Etch-stop layer)을 갖는 에피구조에서 낮은 항복 전압을 개선하기 위해 게이트 리세스(recess) 구조 및 InGaAs/ InP 복합 채널 구조로 변경하여 항복 전압을 시뮬레이션하였고 DC/RF 특성을 비교 분석하였다. 이를 통해 고항복전압 MHEMT 전력소자 의 에피구조 및 게이트 리세스 구조를 설계 제안한다.

성능/효과

2(b)의 구조에서는 Fig. 2(a) 구조에 비해 소스 저항은 그대로 유지하고 드레인 저항만 증가시킨 구조이므로 예상한 대로 드레인측 InAlAs 장벽층의 표면 효과로 인해 급격한 전류 감소를 보여주고 있으며 항복전압도 2 V에서 4 V 정도로 향상되었음을 보여주고 있다. 이는 Fig.
2(b)와 같은 구조는 Fig. 2(a)의 구조에 비해 소스 저항을 줄이지 않으면서 드레인측 표면 효과에 기인한 드레인 저항만을 증가시켜 드레인 측의 채널 전류를 감소시키므로 높은 드레인 전압에서 드레인 측에서 발생하는 충돌이온화(impact ionization)를 줄이게 되므로 애벌런치 항복전압을 개선시킬 수 있다. 위에서 언급한 표면 효과를 고려하여 시뮬레이션을 수행하였다.
위에서 언급한 대로 InGaAs 채널층을 갖는 Fig. 2(b)의 구조는 드레인 측의 표면 효과 증가로 I_dss 전류가 감소되었고, 이로 인해 f_T 및 f_max가 감소하여 RF주파수 특성이 나빠졌음을 알 수 있다. 하지만 On-상태 항복 전압은 2 V에서 4 V로 크게 개선되었음을 보여주고 있다.
Fig. 2(b)의 드레 인측 비대칭 리세스 구조에서 InGaAs/InP 복합 채널층을 갖는 에피구조에서는 InGaAs 채널층의 두께 감소로 인한 양자화 효과와 높은 드레인 전압에서의 InP 채널층의 충돌 이온화 감소 효과로 인해 InGaAs 채널층 구조에 비해 I_dss 전류가 감소되었고 이에 따라 항복전압이 5 V로 개선되었다. 전달전도도 g_m 특성은 InGaAs 채널층 구조와 비슷한 값을 보여주었으나 소스 저항 R_s의 증가로 인해 RF 특성은 InGaAs 채널 구조에 비해 감소된 주파수 특성을 보였다.
100 GHz 대역의 RF 주파수 특성을 가지면서 높은 항복 전압 특성을 갖는 전력 소자를 개발하기 위해 InP 식각정 지층을 갖는 에피구조를 설계 제안하였고 기 제안된 에피 구조에서 InGaAs 캡층과 InP 식각정지층을 드레인 측만 식각 제거한 비대칭 리세스 구조에서 I_dss 전류가 30% 줄고, 최대 차단 주파수가 222.5 GHz에서 100 GHz로 RF 특성이 나빠졌지만 항복 전압은 2 V에서 4 V로 크게 개선시킬 수 있음을 보였다. 또한, 드레인측만 제거한 비대칭 리세스 구조에서 채널층을 InGaAs/InP 복합 채널로 변경하여 항복전압이 5 V까지 개선됨을 보였다.
InAlAs 장벽층의 에피 두께가 감소할수록 또한 표면 트랩 밀도가 증가할수록 전류 감소 효과는 더욱 클 것이다. 다만 InAlAs 계면에 형성되는 표면 트랩 밀도를 제작 공정 에서 균일한 트랩 밀도를 형성하도록 표면 처리 공정을 개발해야 하는 숙제는 여전히 남게 된다.
1의 에피구조에서 보는 바와 같이 DC/RF 특성을 개선시키기 위해 7 nm InAlAs 장벽층 및 10 nm InGaAs 채널층 감소에 따른 양자화 효과 고려 및 그에 따른 표면 효과 개선을 위해 6 nm InP 식각정지층 삽입을 통해 에피구조를 최적화 설계하였다. InGaAs 채널층 두께에 따른 에너지갭 양자화 효과 및 InP 식각정지층 삽입에 의한 표면 효과가 개선됨을 보였다. 설계된 에피구조에서는 전달전도도 g_m 향상으로 인해 항복 특성은 그대로 유지하면서 차단 주파수는 222.
5 GHz에서 100 GHz로 RF 특성이 나빠졌지만 항복 전압은 2 V에서 4 V로 크게 개선시킬 수 있음을 보였다. 또한, 드레인측만 제거한 비대칭 리세스 구조에서 채널층을 InGaAs/InP 복합 채널로 변경하여 항복전압이 5 V까지 개선됨을 보였다. 본 논문에서 보인 드레인 측만 식각 제거한 비대칭적으로 리세스한 구조의 소자는 f_T≥f_max 조건을 만족시키는 고항복전압 MHEMT 전력 소자임을 보였다.
또한, 드레인측만 제거한 비대칭 리세스 구조에서 채널층을 InGaAs/InP 복합 채널로 변경하여 항복전압이 5 V까지 개선됨을 보였다. 본 논문에서 보인 드레인 측만 식각 제거한 비대칭적으로 리세스한 구조의 소자는 f_T≥f_max 조건을 만족시키는 고항복전압 MHEMT 전력 소자임을 보였다.
InGaAs 채널층 두께에 따른 에너지갭 양자화 효과 및 InP 식각정지층 삽입에 의한 표면 효과가 개선됨을 보였다. 설계된 에피구조에서는 전달전도도 g_m 향상으로 인해 항복 특성은 그대로 유지하면서 차단 주파수는 222.5 GHz, 최대 공진 주파수 849.6 GHz로 향상된 시뮬레이션 결과를 보였으며 중심 주파수 100 GHz 대역의 전력증폭기용 전력 소자로 사용할 수 있을 것이다 [8].
2(b)의 드레 인측 비대칭 리세스 구조에서 InGaAs/InP 복합 채널층을 갖는 에피구조에서는 InGaAs 채널층의 두께 감소로 인한 양자화 효과와 높은 드레인 전압에서의 InP 채널층의 충돌 이온화 감소 효과로 인해 InGaAs 채널층 구조에 비해 I_dss 전류가 감소되었고 이에 따라 항복전압이 5 V로 개선되었다. 전달전도도 g_m 특성은 InGaAs 채널층 구조와 비슷한 값을 보여주었으나 소스 저항 R_s의 증가로 인해 RF 특성은 InGaAs 채널 구조에 비해 감소된 주파수 특성을 보였다.

후속연구

게이트 정전용량 C_g를 줄여 RF 특성을 개선시키기 위해 게이트 풋 부분의 길이를 줄이는 수평 스케일링을 구현한 다면 보다 향상된 RF 주파수 특성 및 고항복전압 특성을 갖는 MHEMT 전력 소자를 개발할 수 있을 것으로 기대된다.
다만 InAlAs 계면에 형성되는 표면 트랩 밀도를 제작 공정 에서 균일한 트랩 밀도를 형성하도록 표면 처리 공정을 개발해야 하는 숙제는 여전히 남게 된다. 표면에 균일한 트랩 밀도를 형성시킬 수만 있다면 소자의 재현성 및 소자 설계의 신뢰성이 향상될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	InGaAs 채널층의 두께 감소에 따른 양자화 효과는 어떤 결과를 낳는가?	또한 InGaAs 채널층의 두께 감소에 따른 양자화 효과는 채널층의 에너지갭을 증가시켜 채널 전류를 감소시키게 된다 [5]. 이러한 채널층 두께 감소 효과는 채널층의 전류를 감소시켜 충돌이온화를 감소시키므로 항복전압을 개선시 킬 수 있다.
	밀리미터파 및 서브-밀리미터파 주파수 대역의 주파수 범위는 어떻게 되는가?	30 GHz에서 3 THz 이르는 밀리미터파 및 서브-밀리미터파 주파수 대역은 현재의 무선통신 및 미래의 광대역 무선 통신의 매체가 되는 소중한 주파수 자원이며, 새로운 융합 응용 가능성이 있는 주파수 대역이다. 차세대 밀리미터파 통신 분야 및 이동 통신 분야에서 기술 선진국과의 기술력 격차를 줄이고 도약을 이루기 위해서는 다양한 통신 시스템을 위한 핵심 소자개발이 필수적이다.
	주파수 대역용 InP 기반 HEMT 소자이 안고 있는 문제점은 무엇인가?	이러한 주파수 대역용 InP 기반 HEMT 소자는 우수한 주파수 특성을 보여 주고 있지만 몇 가지 문제점을 가지고 있다. 이 소자의 가장 큰 문제로 아직은 비용이 GaAs 기반 소자에 비해 비싸며, 4인치 이상의 에피 웨이퍼 생산이 어렵고, 제작 시 깨지기 쉬워 취급하기 어렵다는 문제점을 안고 있다. 이에 대한 대안으로 InP 에피구조를 GaAs기판 위에 성장시킨 MHEMT (Metamorphic HEMT)에 대한 연구 들이 국내에서도 많이 시도되고 진행되어 왔으며 위에서 언급한 InP 기반 MIMIC제작시의 단점을 극복할 수 있는 뛰어난 주파수 특성을 갖는 HEMT 소자로 자리 매김하고 있다 [1,2].

참고문헌 (10)

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M. S. Son, Journal of the Semiconductor & Display Technology 10, 107, (2011).
User's manual of ISE-DESSIS, Ver. 9.5
G. Meneghesso, A. Neviani, R. Oesterholt, M. Matloubian, T. Liu, J. J. Brown, and C. Canali, IEEE Trans. On Electron Devices 46, 2 (1999).

상세보기
S. Datta, S. Shi, K. P. Roenker, M. M. Cahay, and W. E. Stanchina, IEEE Trans. On Electron Devices 45, 1634 (1998).

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S. G. Choi, Y. H. Baek, M. Han, S. H. Bang, J. S. Yoon, and J. K. Rhee, Journal of the Institute of Electronic Engineers of Korea-SD 44, 1 (2007).
M. S. Son, Journal of the Semiconductor & Display Technology 11, 53 (2012).

원문보기 상세보기
M. S. Son, J. Korean Vac. Soc. 20, 345 (2011).

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M. S. Son, Journal of the Institute of Signal Processing and Systems 12, 217 (2011).

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저자의 다른 논문 :

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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