[논문]벌집구조의 나노채널을 이용한 다중 Fin-Gate GaN 기반 HEMTs의 제조 공정

김정진; 임종원; 강동민; 배성범; 차호영; 양전욱; 이형석

doi:10.4313/jkem.2020.33.1.16

벌집구조의 나노채널을 이용한 다중 Fin-Gate GaN 기반 HEMTs의 제조 공정
Fabrication of Multi-Fin-Gate GaN HEMTs Using Honeycomb Shaped Nano-Channel 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.33 no.1, 2020년, pp.16 - 20

김정진 (한국전자통신연구원) , 임종원 (한국전자통신연구원) , 강동민 (한국전자통신연구원) , 배성범 (한국전자통신연구원) , 차호영 (홍익대학교 메타물질전자소자연구센터) , 양전욱 (전북대학교 반도체화학공학부) , 이형석 (한국전자통신연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a patterning method using self-aligned nanostructures was introduced to fabricate GaN-based fin-gate HEMTs with normally-off operation, as opposed to high-cost, low-productivity e-beam lithography. The honeycomb-shaped fin-gate channel width is approximately 40~50 nm, which is manufactured with a fine width using a proposed method to obtain sufficient fringing field effect. As a result, the threshold voltage of the fabricated device is 0.6 V, and the maximum normalized drain current and transconductance of Gm are 136.4 mA/mm and 99.4 mS/mm, respectively. The fabricated devices exhibit a smaller sub-threshold swing and higher Gm peak compared to conventional planar devices, due to the fin structure of the honeycomb channel.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. A honeycomb-shaped metallic etch mask and a schematic view of a gate electrode fabricated therefrom.
그림 Fig. 2. Process flow of gate fabrication with honeycomb channel.
그림 Fig. 3. Drain current and transconductance characteristics of the HC-HEMT and the CV-HEMT (inset).
그림 Fig. 4. Drain current and gate current characteristics of (a) the CV-HEMT and (b) the HC-HEMT, which follows threshold voltage of gate current turn-on.
그림 Fig. 5. Schematic of the current flow in the fin gate for each gate voltage region.

AI 본문요약
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문제 정의

또한 fin-gate HEMTs는 채널폭을 좁게 함으로써 normally-off 특성 및 스위칭 특성이 향상되지만 소자의 출력이 크게 제한되는 단점을 가지고 있다. 이러한 공정상, 구조상의 문제점을 개선하기 위하여 본 연구에서는 폴리스티레인으로 된 나노 구체를 물의 표면장력을 이용하여 육방밀집 형태로 자가 정렬하여 소자에 전사시켜 패터닝 함으로써 40~60nm의 선폭을 갖는 벌집모양으로 연결된 fin-gate 채널을 갖는 HEMTs를 제작하였다. 제안된 공정방식과 구조는 고비용의 이빔리소그래피 패터닝 설비를 이용하지 않고도 미세선폭을 가지며 고밀도로 밀집된 fin-gate 채널을 형성할 수 있다는 장점을 갖는다.

제안 방법

본 연구에서는 normally-off 동작 특성을 갖는 GaN기반 fin-gate HEMTs를 제조하기 위하여 기존의 고비용 저생산성의 이빔리소그래피와 같은 방식을 사용하지 않고 자가정렬된 나노구조체를 이용한 패터닝 방식을 도입하였다. 제안된 방식으로 제작된 벌집 형태로 이어진 fin-gate 채널의 폭은 약 40~50 nm로 fringingfield 효과를 충분히 얻을 수 있도록 미세폭으로 제조되었으며 그 결과 문턱전압 0.

대상 데이터

그림 2는 공정 순서에 따른 벌집 구조의 채널 형성 모식도이다. 비교를 위한 평면형 소자(conventional planar HEMT, CP-HEMT)는 벌집구조를 만들기 위한 나노 패터닝 및 리세스 식각 공정을 제외한 전 공정을 동일하게 실시하였다.
소자 제작에 사용된 기판은 실리콘 기판위에 도핑되지 않은 GaN 2 um, 그 위에 도핑되지 않은 Al_0.25Ga_0.75N을 20 nm, 마지막으로 GaN 캡층 2 nm를 MOCVD (metal organic chemical vapor deposition)로 성장한 기판을 이용하였다. 제작된 기판의 전자 이동도 및 채널면저항은 각각 1,400 cm²/V⋅s와 496 Ω/□로 측정되었다.

성능/효과

6 V인 normally-off 동작 특성을 보였고 일반적인 평면형 소자에 비해 개선된 sub-threshold swing 및 트랜스컨덕턴스 특성을얻었다. 그러나 제안된 구조의 소자는 평면형 소자에 비해 낮은 전류 밀도를 보였는데 이는 fin-gate 채널의 측면에서 AlGaN/GaN 계면가 게이트 금속이 접촉하여 낮은 바이어스에서 게이트 누설전류가 발생하기 때문으로 분석된다. 이를 개선하기 위하여 게이트 절연막을 통해 게이트 전류를 차단하는 공정이 요구되며 게이트 전류를 차단하였을 때 평면형 소자보다 더 큰 드레인 전류밀도를 가질 것으로 예측되며, sub-threshold swing및 트랜스컨덕턴스 특성 또한 더욱 향상될 것으로 기대된다.
본 연구에서는 normally-off 동작 특성을 갖는 GaN기반 fin-gate HEMTs를 제조하기 위하여 기존의 고비용 저생산성의 이빔리소그래피와 같은 방식을 사용하지 않고 자가정렬된 나노구조체를 이용한 패터닝 방식을 도입하였다. 제안된 방식으로 제작된 벌집 형태로 이어진 fin-gate 채널의 폭은 약 40~50 nm로 fringingfield 효과를 충분히 얻을 수 있도록 미세폭으로 제조되었으며 그 결과 문턱전압 0.6 V인 normally-off 동작 특성을 보였고 일반적인 평면형 소자에 비해 개선된 sub-threshold swing 및 트랜스컨덕턴스 특성을얻었다. 그러나 제안된 구조의 소자는 평면형 소자에 비해 낮은 전류 밀도를 보였는데 이는 fin-gate 채널의 측면에서 AlGaN/GaN 계면가 게이트 금속이 접촉하여 낮은 바이어스에서 게이트 누설전류가 발생하기 때문으로 분석된다.

후속연구

그러나 제안된 구조의 소자는 평면형 소자에 비해 낮은 전류 밀도를 보였는데 이는 fin-gate 채널의 측면에서 AlGaN/GaN 계면가 게이트 금속이 접촉하여 낮은 바이어스에서 게이트 누설전류가 발생하기 때문으로 분석된다. 이를 개선하기 위하여 게이트 절연막을 통해 게이트 전류를 차단하는 공정이 요구되며 게이트 전류를 차단하였을 때 평면형 소자보다 더 큰 드레인 전류밀도를 가질 것으로 예측되며, sub-threshold swing및 트랜스컨덕턴스 특성 또한 더욱 향상될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GaN 기반 전자소자를 normally-off로 동작시키기 위한 방법으로 무엇이 연구되었는가?	또한 GaN 기반 전자소자가 대체하고자 하는 기존의 Si 기반 전력전자 소자는 normally-off로 동작하므로 이에 맞게 설계된 회로 및 모듈에 적용시키기 위해 GaN 기반 전력 반도체 소자를 normally-off 동작특성을 갖도록 제작하는 많은 연구가 수행되었다. GaN 기반 전자소자를 normally-off로 동작시키기 위한 방법으로 p-type 에피층을 이용한 gate injection FETs (HEMTs) 소자 [1,2], 게이트 하부에 대한 CF4 플라즈마 전처리 방식 [3], 리세스 게이트 식각 방식 [4,5], 좁은 채널폭을 이용한 fin-gateFETs (HEMTs) [6-9] 등이 연구되었다. 이 중 fin-gateHEMTs는 채널폭이 좁아짐에 따라 측면 게이트 전극의 전기장에 의해 게이트의 controllability가 향상되는fringing-field 효과에 의해 낮은 sub-threshold swing(SS)를 가져 스위칭 소자 응용에 강점을 가지고 있다 [6-8].
	HEMTs가 스위칭 소자 응용에 강점을 가지고 있는 이유는?	GaN 기반 전자소자를 normally-off로 동작시키기 위한 방법으로 p-type 에피층을 이용한 gate injection FETs (HEMTs) 소자 [1,2], 게이트 하부에 대한 CF4 플라즈마 전처리 방식 [3], 리세스 게이트 식각 방식 [4,5], 좁은 채널폭을 이용한 fin-gateFETs (HEMTs) [6-9] 등이 연구되었다. 이 중 fin-gateHEMTs는 채널폭이 좁아짐에 따라 측면 게이트 전극의 전기장에 의해 게이트의 controllability가 향상되는fringing-field 효과에 의해 낮은 sub-threshold swing(SS)를 가져 스위칭 소자 응용에 강점을 가지고 있다 [6-8]. 일반적으로 fringing-field 효과를 얻기 위해 100 nm 이하의 미세한 채널폭이 요구되는 fin-gate HEMTs를 제작하기 위해서는 이빔리소그래피와 같은 설비 비용이비싸고 공정시간이 오래 걸려 생산성이 낮은 고성능패터닝 설비가 필요하다.
	HEMT 소자는 게이트에 바이어스를 인가하지 않았을 때 어떤 동작 특성을 가지는가?	AlGaN/GaN 기반의 전력 반도체 소자는 높은 전자밀도와 높은 전자이동도를 갖는 이차원 전자가스층을 활용하여 대전력 고주파 소자 어플리케이션으로 많은 연구가 수행되었다 [1-9]. 이러한 이차원 전자가스층은 훌륭한 전기적 특성을 가지고 있지만 반면 이러한 고농도의 전자가스층을 이용한 HEMT 소자는 게이트에 바이어스를 인가하지 않았을 때 소자가 off되지 못하고 음의 전압을 인가해야 소자가 off되는 normally-on 동작 특성을 가진다 [1-8]. Normally-on 소자를 이용해 회로를 구성할 경우 추가적인 바이어싱 회로가 요구되며 normally-off 소자에 비해 전력 소모도 많이 발생하는 문제점을 가지고 있다.

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