[논문]AlGaN/GaN HEMT의 수치해석 시뮬레이션 연구

하민우; 최강민; 곽재원

AlGaN/GaN HEMT의 수치해석 시뮬레이션 연구
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하민우 (명지대학교 전기공학과) , 최강민 (명지대학교 전기공학과) , 곽재원 (명지대학교 전기공학과)

밴드-갭이 큰 반도체는 실리콘에 비하여 다양한 전기 물성 장점을 가져 고주파수 증폭 소자나 차세대 전력 반도체 소자로 각광을 받고 있다. 다양한 와이드 밴드-갭 반도체 중 AlGaN/GaN 이종접합 반도체는 채널의 높은 전도성과 높은 임계 전계로 인하여 우수한 전기적 특성을 가진다. 최근 발전된 수치해석 시뮬레이션을 이용하여 AlGaN/GaN 고전자 이동도 트랜지스터 (high-electron-mobility transistor, HEMT)의 설계연구를 진행하였다. AlGaN 장벽층의 두께가 증가할수록 채널의 전자 면 농도가 증가하도록 설계하였다. 또한 게이트 필드 플레이트 설계를 통하여 AlGaN/GaN HEMT의 역방향 전계 피크를 1개에서 2개로 증가시켜 항복전압을 368 V에서 최대 822 V로 개선하였다. 수렴문제를 개선한 수치해석 시뮬레이션은 RF power AlGaN/GaN HEMT의 설계에 유용하다.

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문제 정의

AlGaN/GaN 채널 구조를 연구하였으며, 게이트 필드 플레이트의 설계에 따른 소자의 전기적 특성을 확보하였다. 또한 Si이 아닌 와이드 밴드-갭 반도체 시뮬레이션 [5] 진행 시 종종 발생하는 수렴이 안 되는 문제에 대해서 연구하였다.
본 연구의 목적은 AlGaN/GaN HEMT의 항복전압에 관하여 수치해석 시뮬레이션을 이용하여 연구한 것이다. AlGaN/GaN 채널 구조를 연구하였으며, 게이트 필드 플레이트의 설계에 따른 소자의 전기적 특성을 확보하였다.

제안 방법

AlGaN과 GaN 모두 도핑을 하지 않았다. AlGaN 두께 증가에 따라 AlGaN 표면 인터페이스 전하량이 증가되고, 결국 2DEG 전자농도를 증가하도록 시뮬레이션 설정하였다. 그림1은 에너지 밴드 다이어그램을 표기한 AlGaN/GaN 시뮬레이션 구조와 AlGaN 장벽층 두께에 따른 2DEG 전자농도를 표기한 것이다.
본 연구의 목적은 AlGaN/GaN HEMT의 항복전압에 관하여 수치해석 시뮬레이션을 이용하여 연구한 것이다. AlGaN/GaN 채널 구조를 연구하였으며, 게이트 필드 플레이트의 설계에 따른 소자의 전기적 특성을 확보하였다. 또한 Si이 아닌 와이드 밴드-갭 반도체 시뮬레이션 [5] 진행 시 종종 발생하는 수렴이 안 되는 문제에 대해서 연구하였다.
GaN 증폭소자의 시뮬레이션에 앞서 AlGaN/GaN 채널인 2DEG을 검증하기 위하여 시뮬레이션을 진행하였다. 와이드 밴드-갭 반도체인 AlGaN과 GaN의 에너지 밴드 갭 차이와 극성 (polarization) 및 압전(piezoelectric) 효과로 인하여 AlGaN과 GaN 경계에서 고전도성 채널인 2DEG이 형성된다[6].
게이트 필드 플레이트의 길이는 1, 1.25, 1.5, 1.74, 2, 2.25, 2.5, 3.1, 3.5, 3.9 및 4.5 µm으로 다양하게 설계하였다.
22 V이었다. 게이트에 문턱전압이 걸린 상태에서 드레인 전압을 증가시켜서 3단자 항복전압을 확보하였다. 필드 플레이트가 설계되지 않는 기존 소자의 항복전압은 368 V이었다.
고주파수 증폭기용 AlGaN/GaN HEMT의 수치해석 설계를 위하여 AlGaN/GaN 채널 시뮬레이션과 소자의 항복전압 시뮬레이션을 진행하였다. AlGaN 장벽층의 전하량에 따라서 AlGaN과 GaN 인터페이스에서 형성되는 2DEG의 전자 면 농도가 증가하였다.
본 연구에서는 게이트 필드-플레이트 설계를 적용하여 AlGaN/GaN HEMT의 순방향 특성 열화 없이 항복전압을 개선하였으며, 시뮬레이션으로 검증하였다.

대상 데이터

AlGaN 장벽층 두께, 전체 Si3N4 패시베이션 두께 및 필드 플레이트가 설계된 높이는 20 nm, 2.07 µm 및 1.77 µm이다.
시뮬레이션에서 AlGaN의 Al 몰 비율은 34%이며, 두께는 5, 10, 15, 20, 25 nm로 변화시켰으며, GaN 두께는 2 µm이다.

성능/효과

고주파수 증폭기용 AlGaN/GaN HEMT의 수치해석 설계를 위하여 AlGaN/GaN 채널 시뮬레이션과 소자의 항복전압 시뮬레이션을 진행하였다. AlGaN 장벽층의 전하량에 따라서 AlGaN과 GaN 인터페이스에서 형성되는 2DEG의 전자 면 농도가 증가하였다. 게이트 길이와 게이트-드레인 간격이 0.
항복전압을 풀기 위하여 전압, 전류, 전압-전류 스위프 방법을 선택할 수 있으며, 이 중에 전압 스위프를 먼저 푼 다음에 전류 스위프 방법이 효과적임을 알 수 있었다. 또한 그리드 (grid) 혹은 메시 (mesh) 구조와 시뮬레이션 정확도 비트수가 시뮬레이션 수렴에 영향을 미쳤었다. 필드 플레이트 길이가 4.
1 µm인 소자의 게이트 플레이트 설계에 따라서 항복전압이 368 V에서 822 V까지 개선되었다. 또한 수치해석 시뮬레이션을 푸는 방법, 그리드 구조 및 정확도 비트수의 최적화에 따라서 시뮬레이션 수렴 문제를 해결할 수 있었다.
오믹 컨택의 동작을 위해서 오믹 컨택 영역에 도핑농도는 10¹⁸ (/cm³)으로 설정하였다. 소자의 순방향 전류-전압 (V_DS-I_DS) 특성을 시뮬레이션한 결과 최대 드레인 전류 (max. I_DS)는 1.4 A/mm이상 높은 값을 가짐을 확인하였다. 선형 영역의 기울기를 이용하여 구한 소자의 문턱전압은 –3.
역방향 전계를 효과적으로 분포시켜 필드 플레이트 길이가 2.25 µm일 때 최적 항복전압, 822 V를 얻을 수 있었다.
와이드 밴드-갭 반도체인 AlGaN/GaN HEMT는 항복전압의 수치해석 방법에 따라 수렴이 되거나 되지 않는 어려운 점을 가지고 있다. 항복전압을 풀기 위하여 전압, 전류, 전압-전류 스위프 방법을 선택할 수 있으며, 이 중에 전압 스위프를 먼저 푼 다음에 전류 스위프 방법이 효과적임을 알 수 있었다. 또한 그리드 (grid) 혹은 메시 (mesh) 구조와 시뮬레이션 정확도 비트수가 시뮬레이션 수렴에 영향을 미쳤었다.

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