[논문]높은 항복전압(>1,000 V)을 가지는 Circular β-Ga2O3 MOSFETs의 특성

조규준; 문재경; 장우진; 정현욱

doi:10.4313/jkem.2020.33.1.78

[국내논문] 높은 항복전압(>1,000 V)을 가지는 Circular β-Ga2O3 MOSFETs의 특성
Characteristics of Circular β-Ga2O3 MOSFETs with High Breakdown Voltage (>1,000 V) 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.33 no.1, 2020년, pp.78 - 82

조규준 (한국전자통신연구원 RF) , 문재경 (한국전자통신연구원 RF) , 장우진 (한국전자통신연구원 RF) , 정현욱 (한국전자통신연구원 RF)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, MOSFETs fabricated on Si-doped, MBE-grown β-Ga2O3 are demonstrated. A Si-doped Ga2O3 epitaxial layer was grown on a Fe-doped, semi-insulating 1.5 cm × 1 cm Ga2O3 substrate using molecular beam epitaxy (MBE). The fabricated devices are circular type MOSFETs with a gate length of 3 ㎛, a source-drain spacing of 20 ㎛, and a gate width of 523 ㎛. The device exhibited a good pinch-off characteristic, a high on-off drain current ratio of approximately 2.7×109, and a high breakdown voltage of 1,080 V, which demonstrates the potential of Ga2O3 for power device applications including electric vehicles, railways, and renewable energy.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. Material properties for major semiconductors.
그림 Fig. 1. Cross-sectional schematic of the device.
그림 Fig. 2. (a) Top-view optical image of the fabricated device and (b) magnified image.
그림 Fig. 3. (a) Cross-sectional SEM image of the fabricated device and (b) magnified image.
그림 Fig. 4. DC transfer characteristics of the fabricated device (log scale).
그림 Fig. 5. I_ds-V_ds characteristics of the fabricated device.
그림 Fig. 6. Breakdown voltage characteristics of the fabricated device.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Si가 도핑되어 MBE로 성장된 β-Ga₂O₃ 웨이퍼상에 circular type의 MOSFETs을 제작하였으며 소자의 전기적 특성을 분석 및 평가하였다.

제안 방법

그림 4는 제작된 소자의 전달특성(transfer characteristic)을 보여준다. 드레인에 V_ds＝30 V의 바이어스 전압을 인가한 상태로 게이트 전압을 V_gs= -15~+3 V까지 -0.05 V step 간격으로 인가하였을 때의 드레인 전류를 측정하였다. 이때 측정되는 pinch-off 상태에서의 오프 전류(off current)는 V_gs＝-13 V에서 3.

대상 데이터

본 연구에는 Fe 이온이 도핑된 500 μm 두께의 반절연 산화갈륨 기판(semi-insulating Ga₂O₃ substrate, 010)이 사용되었으며 해당 기판 위에 molecular beam epitaxy (MBE) 방식을 사용하여 Si 이온이 도핑된 에피층이 성장되었다. 반절연 기판이 사용된 이유는 소자의 누설전류를 낮추어 높은 온-오프 전류비(on-off drain current ratio)를 얻음과 동시에 항복전압을 높이기 위함이다 [9,10].

이론/모형

Al₂O₃의 습식식각이 완료되면 게이트 메탈을 Ti/Au＝250/2,300 Å의 두께로 증착해 준다. 이어서 표면 보호를 위해 SiO₂를 플라즈마-증가 화학기상증착법(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)을 사용하여 3,000 Å의 두께로 증착한다. 증착이 완료되면 CF₄를 이용한 건식식각법으로 소스와 드레인 전극 위의 유전막을 제거한 후 측정 시 프로빙 패드 역할을 하는 2차금속(Ti/Au)을 증착한다.
제작된 소자는 게이트와 반도체물질 사이에 산화 유전막이 들어가 있는 MOSFET (혹은 MISFET) 구조를 가지는데 이 구조는 유전막이 없는 MESFET 구조에 비해 게이트 누설전류가 낮고 항복전압을 높일 수 있다. 사용된 유전막은 유전상수가 9~10으로 높아 누설전류를 낮추는 데 유리한 Al₂O₃이며 플라즈마 원자층 증착법(plasma-enhanced atomic layer deposition)을 통하여 증착되었다 [13].

성능/효과

웨이퍼상에 MOSFET 소자를 제작하고 특성을 평가하였다. circular type의 형태를 가지는 해당 소자는 핀치오프 전압(Vp) -5.9V, 온 저항 237.5 mΩ⋅cm², 온/오프 전류비 2.7×10⁹, V_gs＝+3 V에서의 최대 드레인 전류밀도 18 mA/mm, 항복전압(V_b) 1,080 V의 우수한 특성을 보여주었는데 이는 누설전류를 낮춰주는 반절연 기판과 유전율이 큰 Al₂O₃ 게이트 산화막의 사용에 힘입은 바 크다. 본 연구를 통하여 제작된 소자가 보여준 이러한 특성들은 산화갈륨이 가지고 있는 잠재성을 잘 드러내고 있으며 향후에 고전력, 고출력을 요하는 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 예상한다.

후속연구

7×10⁹, V_gs＝+3 V에서의 최대 드레인 전류밀도 18 mA/mm, 항복전압(V_b) 1,080 V의 우수한 특성을 보여주었는데 이는 누설전류를 낮춰주는 반절연 기판과 유전율이 큰 Al₂O₃ 게이트 산화막의 사용에 힘입은 바 크다. 본 연구를 통하여 제작된 소자가 보여준 이러한 특성들은 산화갈륨이 가지고 있는 잠재성을 잘 드러내고 있으며 향후에 고전력, 고출력을 요하는 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 예상한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	β-산화갈륨(β-Ga2O3)의 특성은?	산화갈륨은(Ga2O3) transparent conductive oxides(TCOs) 물질 중 하나로 몇 가지 다른 상(polymorphs)을 가지는데 그중 열적으로 가장 안정적인 β-산화갈륨(β-Ga2O3)은 4.8~4.9 eV에 달하는 매우 넓은 밴드갭(ultra-wide band gap)을 가지며 항복전계(breakdown field, 6~8 MV cm-1)가 높아 고전압, 고전력이 요구되는 스위칭 소자 제작에 유리한 특성을 갖는다 [1-6]. 표 1은 전력반도체 제작에 주로 사용되는 Si, 4H-SiC,GaN, Diamond의 물성을 β-Ga2O3와 비교하여 나타낸 것으로 Johnson’s FOM과 Baliga’s FOM이 타 물질 대비 높음을 알 수 있다 [2].
	소자 간의 격리(device isolation)를 위해 산화갈륨에 건식식각을 진행하는 이유는?	먼저 소자 간의 격리(device isolation)을 위해 MESA 식각을 진행하였다. 산화갈륨은 화학적으로 안정적인 물질이기 때문에 습식 식각 대신 건식 식각을 통해 패터닝을 해야 한다. Cl 계열의 플라즈마를 이용하는 것이 일반적이며 Cl2 혹은 BCl3을 이용하여 식각하는 것이 가능하다 [14-16].
	소자를 핑거형태가 아니라 circular type FETs의 형태로 설계했을때의 장점은?	소자는 원형의 드레인을 게이트와 소스가 고리 형태로 감싸안는 circular type FETs의 형태를 가지도록 설계했는데 통상적으로 대면적 소자 제작에 사용되는 핑거형태(finger type)에 비해 공간을 많이 차지하고 확장성이 떨어진다는 단점이 있음에도 이는 구조 특성상 전계가 소스 패드 안쪽에만 국한되도록 하여 누설전류가 적고 소자 간의 격리(device isolation) 없이도 동작이 되게끔 하는 장점이 있어 테스트용 소자를 제작하는 데 있어 널리 쓰이는 방법이다 [11,12]. 설계한 소자의 게이트 길이(gate length)는 3 µm, 소스 드레인 간격은 20 µm, 게이트 폭(gate width)은 523 µm이다.

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H. Jung, K. J. Cho, W. J. Chang, and J. K. Mun, Proc. Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Annual Summer Conference 2019 (KIEEME, Heongsung-Gun, Korea, 2019) p. 61.

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