산화갈륨 ($Ga_2O_3$)과 탄화규소 (SiC)는 넓은 밴드 갭 ($Ga_2O_3-4.8{\sim}4.9eV$, SiC-3.3 eV)과 높은 임계전압을 갖는 물질로서 높은 항복 전압을 허용한다. 수직 DMOSFET 수평구조에 비해 높은 항복전압 특성을 갖기 때문에 고전압 전력소자에 많이 적용되는 구조이다. 본 연구에서는 2차원 소자 시뮬레이션 (2D-Simulation)을 사용하여 $Ga_2O_3$와 4H-SiC 수직 DMOSFET의 구조를 설계하였으며, 항복전압과 저항이 갖는 trade-off에 관한 파라미터를 분석하여 최적화 설계하였다. 그 결과, 제안된 4H-SiC와 $Ga_2O_3$ 수직 DMOSFET구조는 각각 ~1380 V 및 ~1420 V의 항복 전압을 가지며, 낮은 게이트 전압에서의 $Ga_2O_3-DMOSFET$이 보다 낮은 온-저항을 갖고 있지만, 게이트 전압이 높으면 4H-SiC-DMOSFET가 보다 낮은 온-저항을 갖을 수 있음을 확인하였다. 따라서 적절한 구조와 gate 전압 rating에 따라 소자 구조 및 gate dielectric등에 대한 심화 연구가 요구될 것으로 판단된다.
산화갈륨 ($Ga_2O_3$)과 탄화규소 (SiC)는 넓은 밴드 갭 ($Ga_2O_3-4.8{\sim}4.9eV$, SiC-3.3 eV)과 높은 임계전압을 갖는 물질로서 높은 항복 전압을 허용한다. 수직 DMOSFET 수평구조에 비해 높은 항복전압 특성을 갖기 때문에 고전압 전력소자에 많이 적용되는 구조이다. 본 연구에서는 2차원 소자 시뮬레이션 (2D-Simulation)을 사용하여 $Ga_2O_3$와 4H-SiC 수직 DMOSFET의 구조를 설계하였으며, 항복전압과 저항이 갖는 trade-off에 관한 파라미터를 분석하여 최적화 설계하였다. 그 결과, 제안된 4H-SiC와 $Ga_2O_3$ 수직 DMOSFET구조는 각각 ~1380 V 및 ~1420 V의 항복 전압을 가지며, 낮은 게이트 전압에서의 $Ga_2O_3-DMOSFET$이 보다 낮은 온-저항을 갖고 있지만, 게이트 전압이 높으면 4H-SiC-DMOSFET가 보다 낮은 온-저항을 갖을 수 있음을 확인하였다. 따라서 적절한 구조와 gate 전압 rating에 따라 소자 구조 및 gate dielectric등에 대한 심화 연구가 요구될 것으로 판단된다.
Gallium oxide ($Ga_2O_3$) and silicon carbide (SiC) are the material with the wide band gap ($Ga_2O_3-4.8{\sim}4.9eV$, SiC-3.3 eV). These electronic properties allow high blocking voltage. In this work, we investigated the characteristic of $Ga_2O_3$ and 4H-SiC verti...
Gallium oxide ($Ga_2O_3$) and silicon carbide (SiC) are the material with the wide band gap ($Ga_2O_3-4.8{\sim}4.9eV$, SiC-3.3 eV). These electronic properties allow high blocking voltage. In this work, we investigated the characteristic of $Ga_2O_3$ and 4H-SiC vertical depletion-mode metal-oxide-semiconductor field-effect transistors. We demonstrated that the blocking voltage and on-resistance of vertical DMOSFET is dependent with structure. The structure of $Ga_2O_3$ and 4H-SiC vertical DMOSFET was designed by using a 2-dimensional device simulation (ATLAS, Silvaco Inc.). As a result, 4H-SiC and $Ga_2O_3$ vertical DMOSFET have similar blocking voltage ($Ga_2O_3-1380V$, SiC-1420 V) and then when gate voltage is low, $Ga_2O_3-DMOSFET$ has lower on-resistance than 4H-SiC-DMOSFET, however, when gate voltage is high, 4H-SiC-DMOSFET has lower on-resistance than $Ga_2O_3-DMOSFET$. Therefore, we concluded that the material of power device should be considered by the gate voltage.
Gallium oxide ($Ga_2O_3$) and silicon carbide (SiC) are the material with the wide band gap ($Ga_2O_3-4.8{\sim}4.9eV$, SiC-3.3 eV). These electronic properties allow high blocking voltage. In this work, we investigated the characteristic of $Ga_2O_3$ and 4H-SiC vertical depletion-mode metal-oxide-semiconductor field-effect transistors. We demonstrated that the blocking voltage and on-resistance of vertical DMOSFET is dependent with structure. The structure of $Ga_2O_3$ and 4H-SiC vertical DMOSFET was designed by using a 2-dimensional device simulation (ATLAS, Silvaco Inc.). As a result, 4H-SiC and $Ga_2O_3$ vertical DMOSFET have similar blocking voltage ($Ga_2O_3-1380V$, SiC-1420 V) and then when gate voltage is low, $Ga_2O_3-DMOSFET$ has lower on-resistance than 4H-SiC-DMOSFET, however, when gate voltage is high, 4H-SiC-DMOSFET has lower on-resistance than $Ga_2O_3-DMOSFET$. Therefore, we concluded that the material of power device should be considered by the gate voltage.
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문제 정의
본 연구에서는 1400 V급의 Ga2O3 DMOSFET소자를 설계하여 이와 동일한 구조를 가지는 SiCDMOSFET 소자와 동작 특성을 비교 분석하였다. 동일한 구조를 가질 때 Ga2O3 DMOSFET 소자의 항복전압과 SiC DMOSFET 소자의 항복전압이 거의 유사한 것을 확인하였다.
가설 설정
Ga2O3의 경우 ZnO계열 소재와 마찬가지로 p-type도핑이 형성이 용이하지 않음이 알려져 있어 Mg 등을 이용하는 방법을 포함하여 여러 실험이 시도되고 있으나 대부분 deep level을 형성하게 된다. [5,6] 본 논문에서는 설계상 이상적인 conduction을 가정하여 유효 p-type 도핑레벨을 가정하였다.
제안 방법
0 μm로 하고 게이트 산화막의 두께는 50 nm로 하여 시뮬레이션을 진행하였다. 4H-SiC DMOSFET의 경우에도 이와 동일한 구조로 설계하여 두 DMOSFET의 특성을 비교하였다.
DMOSFET소자 제작 시, 동일 구조에서Ga2O3와 SiC 를 이용하였을 때의 각각의 특성을 비교하였다. DMOSFET소자의 항복전압에 큰 영향을 미치는 요소인 N-epi의 도핑농도는 2x1016 cm-3로 두께는 6.
DMOSFET소자의 항복전압에 큰 영향을 미치는 요소인 N-epi의 도핑농도는 2x1016 cm-3로 두께는 6.0 μm로 하였으며 , P-well의 도핑농도는 5x1017 cm-3 로 두께는 0.4 μm 로 하여 시뮬레이션을 진행하였다.
또한 NJFET의 경우 도핑농도를 각각 5x1016cm-3 ,길이를 4.0 μm로 하고 게이트 산화막의 두께는 50 nm로 하여 시뮬레이션을 진행하였다.
본 실험에서는 문턱전압에 큰 영향을 미치는 요소인 P-well의 도핑농도를 5x1017 cm-3로 하였으며 또한 산화막의 두께는 50 nm로 하여 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과 그림 4에서 보이는 것과 같이, Ga2O3 DMOSFET 소자와 4H-SiC DMOSFET소자의 문턱 전압 (Vth)은 각각 5.
본 연구에서는 Ga2O3 DMOSFET 구조를 설계하기 위해 Silvaco사의 Devedit과 Deckbuild tool을 사용하여 그림 2의 구조로 DMOSFET을 1400 V 정도의 항복 전압과 적절한 온-저항 을 가지도록 설계하였다. N-epi의 도핑농도와 두께, 채널을 형성하는 P-well의 도핑농도와 두께가 항복 전압과 온-저항의 가장 큰 영향을 미치는 중요한 요소이고 채널의 길이와 JFET영역의 변화가 항복 전압과 온-저항에 끼치는 영향은 미미했다.
본 연구에서는 시뮬레이션을 이용하여 Ga2O3 DMOSFET 소자의 최적화 구조를 설계하고 이와동일한 구조의 4H-SiC DMOSFET 소자와 항복 전압, 온-저항 등의 디바이스 특성을 비교하여 분석해보았다.
DMOSFET 구조를 설계하기 위해 Silvaco사의 Devedit과 Deckbuild tool을 사용하였다. 위의 tool의 경우 Ga2O3의 물질특성이 정의되어 있지 않아 Ga2O3 DMOSFET 구조를 설계하기 전 Ga2O3의 물질특성을 정의하기 위해 Ga2O3 MOSFET소자의 ID-VD 의 측정값과 동일한 구조의 시뮬레이션을 통해 측정값과 [4]과 시뮬레이션의 결과가 유사한 값이 나오도록 물질파라메터를 정의하였다. Ga2O3의 경우 ZnO계열 소재와 마찬가지로 p-type도핑이 형성이 용이하지 않음이 알려져 있어 Mg 등을 이용하는 방법을 포함하여 여러 실험이 시도되고 있으나 대부분 deep level을 형성하게 된다.
이론/모형
본 연구에서는 Ga2O3 DMOSFET 구조를 설계하기 위해 Silvaco사의 Devedit과 Deckbuild tool을 사용하였다.
성능/효과
Ga2O3 와 SiC의 물리적 성질 중 에너지 밴드 갭(Eg) 을 비교해보면 Ga2O3의 경우 에너지 밴드 갭은 4.8∼4.9 eV SiC의 경우 3.3 eV로 Ga2O3의 에너지 밴드 갭이 1.5 배가량 더 크기 때문에 Ga2O3 DMOSFET 의 항복전압이 더 클 것으로 예상되었으나 시뮬레이션 결과두 소자의 항복전압은 유사하게 측정되었다.
VG를 30 V로 하여 시뮬레이션 해본 결과 그림6와 같은 ID-VD 그래프를 얻었으며 이때 Ga2O3 DMOSFET의 온-저항은 47.76 mΩ∙cm2, 4H-SiC DMOSFET 의 온-저항은 14.33 mΩ∙cm2 로 Ga2O3의 경우가 SiC의 3.5 배 큰 것을 알 수 있었으며 이로 인해 FOM에 비례하는 VB2/RON,SP 값은 SiC 의 경우 (140.71 MW/cm2)가 Ga2O3 의 경우 (39.87 MW/cm2)보다 3.5 배 큰 것을 알 수 있었다.
그 결과 그림 3에서 보이는 것과 같이, Ga2O3 DMOSFET 소자와 SiC DMOSFET소자의 항복 전압 (VB)은 각각 1380 V와 1420 V로 유사한 것을 볼 수 있었다.
로 하였으며 또한 산화막의 두께는 50 nm로 하여 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과 그림 4에서 보이는 것과 같이, Ga2O3 DMOSFET 소자와 4H-SiC DMOSFET소자의 문턱 전압 (Vth)은 각각 5.5 V와 9.5 V로 SiC소자의 경우가 Ga2O3소자의 경우보다 2 배가량 큰 것을 볼 수 있었다.
DMOSFET소자를 설계하여 이와 동일한 구조를 가지는 SiCDMOSFET 소자와 동작 특성을 비교 분석하였다. 동일한 구조를 가질 때 Ga2O3 DMOSFET 소자의 항복전압과 SiC DMOSFET 소자의 항복전압이 거의 유사한 것을 확인하였다. 문턱전압의 경우는 Ga2O3 DMOSFET은 5.
또한 그림 4를 통해 VG가 작을 경우 Ga2O3소자의 전류가 SiC소자 전류보다 큰 반면에 VG가 충분히 큰 경우 SiC 소자의 전류가 Ga2O3소자 전류보다 큰 것을 확인할 수 있었다. 이에 착안하여 본 실험에서는 VG가 작은 경우와 큰 경우로 나누어 두 소자의 특성을 VG를 15 V로 하여 시뮬레이션 해본 결과 그림 5와 같은 ID-VD 그래프를 얻었으며 이때 Ga2O3 DMOSFET의 온-저항은 35.
5 V로 SiC의 경우가 Ga2O3 보다 약 2 배 정도 큰 것을 확인할 수 있었다. 온-저항 및 드레인 전류의 경우는 게이트 전압에 따라 특성이 달라지는 것을 볼 수 있었는데 게이트 전압이 작을 경우 SiC 소자의 온-저항이 Ga2O3소자에 비해 크고 흐르는 전류량도 더 적은 것을 확인할 수 있었다.(VG = 15 V일 때 SiC 의 경우가 Ga2O3의 1.
이에 착안하여 본 실험에서는 VG가 작은 경우와 큰 경우로 나누어 두 소자의 특성을 VG를 15 V로 하여 시뮬레이션 해본 결과 그림 5와 같은 ID-VD 그래프를 얻었으며 이때 Ga2O3 DMOSFET의 온-저항은 35.66 mΩ∙cm2 4H-SiC DMOSFET의 온-저항은 55.86 mΩ∙cm2 로 SiC의 경우가 Ga2O3의 1.5 배 큰 것을 알 수 있었으며 이로 인해 FOM에 비례하는 VB2/RON,SP 값은 Ga2O3의 경우 (53.40MW/cm2)가 SiC 의 경우 (36.10 MW/cm2)보다 1.5배 큰 것을 알 수 있었다.
후속연구
5 배가량 더 크기 때문에 Ga2O3 DMOSFET 의 항복전압이 더 클 것으로 예상되었으나 시뮬레이션 결과두 소자의 항복전압은 유사하게 측정되었다. 이러한 결과가 나온 이유는 에너지 밴드 갭 이외의 다른 특성에 대한 연구가 추가적으로 진행되어야 할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Si를 대체할 수 있는 전력소자용 소재에는 무엇이 있는가?
이러한 상황에서 현재 실리콘 (Silicon)을 소재로 한 전력소자가 물성의 한계에 도달함에 따라 Si를 대체할 수 있는 전력소자용 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. [1,2] 탄화규소 (4H-SiC)나 산화갈륨 (Ga2O3)과 같은 넓은 에너지 밴드 갭을 가진 반도체 재료 (4H-SiC의 Eg=3.3 eV, Ga2O3의 Eg=4.
Ga2O3가 SiC보다 좋은 점은 무엇인가?
8 eV)가 고전압-저손실의 파워 디바이스의 실현을 기대할 수 있어 주목을 끌고 있다. 특히 Ga2O3은 SiC에 비해 더 큰 밴드 갭 (band gap)을 가지고 있어, 고전압, 저손실 등 더욱 뛰어난 디바이스 특성을 기대할 수 있다. 또한, 간편한 성장법에 의해 단결정 기판을 만들 수 있다는 산업적 측면에서 유리한 특징을 가지고 있다.
Ga2O3의 특징은?
특히 Ga2O3은 SiC에 비해 더 큰 밴드 갭 (band gap)을 가지고 있어, 고전압, 저손실 등 더욱 뛰어난 디바이스 특성을 기대할 수 있다. 또한, 간편한 성장법에 의해 단결정 기판을 만들 수 있다는 산업적 측면에서 유리한 특징을 가지고 있다. 그러나 4H-SiC의 경우 세계 각국에서 활발하게 연구 개발이 진행되고 있는 반면에 Ga2O3는 높은 재료적 잠재력에도 불구하고 지금까지의 연구 개발은 거의 진행된 바가 없는 상태이다 [3]
참고문헌 (6)
L. A. Franks, B. A. Brunett, R. W. Olsen, D. S. Walsh, G. Vizkelethy, J. I. Trombka, B. L. Doyle, R. B. James, "Radiation damage measurements in room-temperature semiconductor radiation detectors," Nucl. Inst Meth A. 428, 95, 1999.DOI:10.1016/S0168-9002(98)01585-X
H. Morkoc, S. Strite, G. B. Gao, M. E. Lin, B. Sverdlov, and M. Burns, "Large-band-gap SiC, III-V nitride, and II-VI ZnSe-based semiconductor device technologies," Journal of Applied Physics 76, 1363, 1994.DOI:10.1063/1.358463
M. Higashiwaki, K. Sasaki, A. Kuramata, T. Masui, and S. Yamakoshi, "Gallium oxide ( $Ga_2O_3$ ) metal-semiconductor field- effect transistors on single-crystal ${\beta}-Ga_2O_3$ (010) substrates," Appl. Phys. Lett. 100, 013504 Issue 1, 2012.DOI:10.1063/1.3674287
M. Higashiwaki, K. Sasaki, T. Kamimura, M. H. Wong, D. Krishnamurthy, A. Kuramata, T. Masui, and S. Yamakoshi, "Depletion-mode $Ga_2O_3$ metal-oxide-semiconductor field-effect transistors on ${\beta}-Ga_2O_3$ (010) substrates and temperature dependence of their device characteristics," Appl. Phys. Lett. 103, 123511, 2013.DOI:10.1063/1.4821858
Y. P. Qian, D. Y. Guo, X. L. Chu, H. Z. Shi, W. K. Zhu, K. Wang, X. K. Huang, H. Wang, S. L. Wang, P. G. Li, X. H. Zhang, W. H. Tang, "Mg-doped p-type ${\beta}-Ga_2O_3$ thin film for solar-blind ultraviolet photodetector," Materials Letters. 209, 558-561, 2013.DOI: 10.1016/j.matlet.2017.08.052
D. Guo, X. Qin, M. Lv, H. Shi, Y. Su, G. Yao, S. Wang, C. Li, P. Li, and W. Tang, "Decrease of Oxygen Vacancy by Zn-Doped for Improving Solar-Blind Photoelectric Performance in ${\beta}-Ga_2O_3$ Thin Films," Electron. Materials Letter 13, 6, 483-488, 2017.DOI: 10.1007/s13391-017-7072-y
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