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초고주파 회로 응용을 위한 GaN HEMT 기술 원문보기

電磁波技術 : 韓國電磁波學會誌 = The Proceedings of the Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.26 no.3, 2015년, pp.3 - 7  

황지현 (광주과학기술원) ,  장재형 (광주과학기술원)

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문제 정의

  • 현재 GaN 기반의 소자는 AlGaN/GaN HEMT 기술이 가장 성숙되어 있으며, 이미 다양한 응용분야에서 활용되고 있다. 본고에서는 GaN HEMT 에피 구조의 성장에서부터 소자를 제작하기까지 현재의 기술 수준과 앞으로 개선되어야 할 점들에 대해서 기술하였으며, 문제점 해결을 위한 접근 방식들에 대한 동향을 간단하게 소개하였다. 미래 사회에서는 에너지절약이라는 기저에 에너지의 효과적인 관리가 요구되는 만큼 전력관리시장이 폭발적으로 증가할 것으로 전망됨에 따라서 GaN 기반의 HEMT 소자에 대한 연구 역시 확대될 것으로 예상한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
GaN 기반 HEMT 구조에서 오믹 접촉 형성이 어려운 이유는? GaN 기반 HEMT 구조는 넓은 밴드갭 에너지와 높은 쇼트키 barrier height 때문에 다른 반도체 물질들에 비해서 오믹 접촉 형성이 어렵다고 알려져 있다.[11] 상대적으로 높은 오믹 접촉 저항값은 소스 access 저항을 증가시켜 HEMT 소자의 고주파 전달 특성을 제한하게 된다.
GaN의 특성은 무엇인가? 기존의 Silicon 또는 SiC에 기반한 고주파용 전력 소자들에서 최근에는 GaN 성장기술의 발전에 힘입어 GaN 기반 고전자이동도 트랜지스터(HEMT: High Electron Mobility Transistor) 기술에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 아래 <표 1>에서 볼 수 있듯이, GaN는 Silicon 및 GaAs에 비해 넓은 bandgap 특성을 가지며, 높은 breakdown field 특성을 가지고 있기 때문에 우수한 항복전압 특성을 보인다. 또한 GaN는 4H-SiC보다 높은 전자 이동도 및 포화 전자 속도를 가지고 있기 때문에 동시에 높은 주파수 특성 역시 보일 수있다.
GaN 기반의 소자에서 에피층 성장 기술이 필요한 이유는? GaAs 또는 InP에 기반한 HEMT 구조에서는 쇼트키 장벽층에 델타도핑을 수행하며, 이곳에서 생성된 전자들이 이종 접합을 사용하여 형성한 양자 우물로 이동하여 2차원 전자 구름층을 만드는데 반하여, GaN 기반의 HEMT 구조에서는 쇼트키 장벽층의 도핑 없이 이종접합을 형성하는 물질의 분극의 차이 때문에 생성되는 전자들로도 양자 우물에 높은 농도의 2차원 전자구름을 형성할 수 있다. 따라서 GaN 기반의 소자에서는 자연적으로 에피층 사이 계면에서의 전하들의 축적을 인위적으로 조절할 수 있는 에피층 성장 기술이 필수적이다.
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참고문헌 (19)

  1. U. K. Mishra et al., "GaN-Based RF power devices and amplifiers", Proceedings of the IEEE, 96(2), pp. 287-305, Feb. 2008. 

  2. L. F. Eastman, U. K. Mishra, "The toughest transistor yet", IEEE Spectrum, 39, pp. 28-33, May 2002. 

  3. H. Wang et al., "InAlN/GaN HEMTs with SiC substrates: Device performance and reliability analysis", International Symposium on Compound Semiconductor, 2009. 

  4. D. M. Geum et al, "75 nm T-shaped gate for $In_{0.17}Al_{0.83}N/GaN $ HEMTs with minimal short-channel effect", Electronics Letters, 49(24), pp. 1536-1537, Nov. 2013. 

  5. J. Kuzmik et al., "Analysis of degradation mechanisms in lattice- matched InAlN/GaN high-electron-mobility transistors", Journal of Applied Physics, 106, 2009. 

  6. J. Kuzmik, "Power electronics on InAlN/(In)GaN: Prospect for a record performance", IEEE Electron Device Letters, 22(11), Nov. 2001. 

  7. E. Dimakis et al., "Plasma-assisted MBE growth of quarternary InAlGaN quantum well heterostructures with room temperature luminescence", Journal of Crystal Growth, 251, pp. 476-480, Apr. 2003. 

  8. F. Schwierz, O. Ambacher, "Recent advances in GaN HEMT development", Electron Devices for Microwave and Optoelectronic Applications, 2003. EDMO 2003. The 11th IEEE International Symposium, pp. 204-209, 2003. 

  9. Z.-Y. Liu et al., "Effects of the strain relaxation of an AlGaN barrier layer induced by various cap layers on the transport properties in AlGaN/GaN heterostructures", Chinese Physics B, 20(9), 2011. 

  10. T. Gessmann et al., "Ohmic contacts to p-type GaN mediated by polarization fields in thin $In_xGa_{1-x}N$ capping layers", Applied Physics Letters, 80(6), Feb. 2002. 

  11. M. E. Lin et al., "Low resistance ohmic contacts on wide band-gap GaN", Applied Physics Letters, 64, Feb. 1994. 

  12. Y. Nam, B. Lee, "Investigation of Ti/Au and $Ti_2N/Ti/Au$ ohmic contacts to n-GaN films", Semiconductor Science and Technology, 26, May 2011. 

  13. H. Tokuda et al., "Role of Al and Ti for ohmic contact formation in AlGaN/GaN heterostructures", Applied Physics Letters, 101, 2012. 

  14. R. Ventury, "The impact of surface states on the DC and RF characteristics of AlGaN/GaN HFETs", IEEE Transactions on Electron Devices, 48(3), pp. 560-566, Mar. 2001. 

  15. T. Oka, T. Nozawa, "AlGaN/GaN recessed MIS-Gate HFET with high-threshold-voltage normally-off operation for power electronics applications", IEEE Electron Device Letters, 29 (7), pp. 668-670, Jul. 2008. 

  16. H. Lin, "DC and RF characterization of AlGaN/GaN HEMTs with different gate recess depths", Solid-State Electronics, 54, pp. 582-585, May 2010. 

  17. D. Marti et al., "150-GHz cutoff frequencies and 2-W/mm output power at 40 GHz in a millimeter-wave AlGaN/GaN HEMT technology on silicon", IEEE Electron Device Letters, 33(10), pp. 1372-1374, Oct. 2012. 

  18. S. Tirelli et al., "Fully passivated AlInN/GaN HEMTs with $f_T/f_{max}$ of 205/220 GHz", IEEE Electron Device Lerrers, 32 (10), pp. 1364-1366, Oct. 2011. 

  19. R. Wang et al., "Quaternary barrier InAlGaN HEMTs with $f_T/f_{max}$ of 230/300 GHz", IEEE Eletron Device Letters, 34 (3), pp. 378-380, Mar. 2013. 

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