비아홀 길이 변조로 300nm 채널의 노멀리 오프 GaN HEMT 구현

초록

우리는 멀티 메사 채널(MMC) 아키텍처에서 비아홀 길이를 제어함으로써 노멀리 오프 AlGaN/GaN 고전자이동도 트랜지스터(HEMT)의 돌파구를 보고한다. 채널 폭 300 nm까지의 인핸스먼트 모드(E-모드) 소자를 제작하여, 양의 문턱 전압 +0.79 V(100 nm/2 µm) 및 +0.46 V(300 nm/6 µm)를 입증하였다. 이 소자들은 기존 트라이게이트 나노리본 HEMT보다 낮은 온저항을 나타내면서 높은 드레인 전류와 향상된 열 안정성을 유지한다. 비아홀 길이는 표면 피닝과 측면 고갈을 제어하여 확장 가능한 노멀리 오프 GaN 파워 전자소자를 가능하게 한다.

배경

III-V족 와이드 밴드갭 질화물은 큰 밴드갭, 높은 임계 전기장, 높은 전자 포화 속도 덕분에 고주파 및 고전압 응용에서 탁월한 성능을 제공한다. AlGaN/GaN 헤테로구조는 고성능 트랜지스터의 기반인 2DEG 채널을 형성하지만, 고유한 디플리션 모드(D-모드) 동작으로 디지털, RF, 파워 응용에서 복잡한 회로가 필요하다. 노멀리 오프 동작을 유도하는 기존 전략(리세스 게이트, p-형 캡핑, 터널 정션, 이온 주입, 급속 열 어닐링)은 소자 수율을 저하시키거나 신뢰성 문제를 야기한다.

최근 핀 나노구조는 채널 폭을 ~100 nm 미만으로 줄이면 측면 표면 피닝과 응력 완화로 문턱 전압(Vth)이 양으로 이동함을 보였다. 그러나 서브-100 nm 채널로 낮은 온저항(Ron)을 달성하는 것은 여전히 어렵다. 게이트 폭 스케일링이 누설과 트랜스컨덕턴스에 악영향을 미치기 때문이다. 본 연구는 조절 가능한 비아홀 길이를 가진 트라이게이트 MMC 구조를 통합하여 E-모드 동작, 낮은 Ron, 견고한 열 성능을 동시에 달성함으로써 이 문제를 해결한다.

방법

AlGaN/GaN 에피층은 MOCVD(Nippon Sanso SR-2000)로 c-면 사파이어 위에 성장시켰다. 600°C GaN 핵형성층, 2 µm 의도치 않은 도핑 GaN 버퍼, 21.8 µm 의도치 않은 도핑 AlGaN 배리어(23% Al), 2 nm GaN 캡을 1180°C에서 증착하였다. 메사 분리 및 주기적 트렌치 에칭은 ICP-RIE(BCl₃/Cl₂)로 수행하였다. 용융 KOH로 식각 후 결정학적 복원으로 측벽을 평활화하고, 피라냐 용액으로 유기물을 제거하였다. 포토리소그래피로 소스, 드레인, 게이트, 콘택트 패드를 정의하였다. 옴성 콘택트(Ti/Al/Ni/Au 30/120/20/80 nm)를 진공 하 850°C 30초 어닐링하였으며, 게이트 전극은 Ni/Au 20/80 nm였다. 소자 치수: 게이트 길이 2 µm, MMC 폭 100~500 nm, 비아홀 길이 1~6 µm, 높이 130 nm. 표면 피닝 효과를 보존하기 위해 비아홀 길이에 패시베이션을 적용하지 않았다.

결과 및 논의

대부분의 GaN HEMT는 고유한 2DEG로 인해 D-모드를 유지한다. 노멀리 오프 동작 달성은 표면 고갈과 게이트 제어의 정밀한 제어를 요구한다. 측벽 댕글링 본드(~10¹⁵ cm^-2)는 표면 피닝 필드를 생성하여 채널을 측면에서 고갈시킨다. 우리의 트라이게이트 MMC에서 비아홀 길이는 이 고갈의 정도를 결정한다.

그림 3a는 측벽 주변의 측면 고갈을 보여준다. 전달 특성(그림 3b)에서 LMMC=2 µm, WMMC=100, 300, 500 nm일 때 V_DS=8 V에서 Vth가 +0.79, -1.32, -2.18 V로 나타나 폭 감소에 따른 양의 이동을 확인한다. 이 효과는 측면 고갈과 비아홀 길이 표면 밴딩의 결합에서 기인한다.

고정된 WMMC=300 nm에서 LMMC를 변화시킨 경우(그림 4), LMMC=1, 2, 6 µm에서 Vth가 -2.12, -1.07, +0.46 V로 나타났다. 6 µm LMMC 소자가 E-모드 동작을 달성한다. 표 1은 WMMC와 LMMC에 따른 Vth, I_DSsat, g_m 의존성을 요약한다. 특히 LMMC를 0.8에서 6 µm로 증가시키면 Vth가 음에서 양으로 이동하면서 I_DSsat와 g_m이 감소하는데, 이는 낮은 Ron이 중요한 파워 응용에서 허용 가능한 트레이드오프이다.

기존 기술과 비교하여, 우리의 E-모드 소자는 설계된 표면 피닝과 트라이게이트 지오메트리 덕분에 허용 가능한 드레인 전류와 트랜스컨덕턴스를 유지하면서 현저히 낮은 Ron을 보인다. 열 측정은 분산된 전류 흐름으로 인한 줄 열 감소를 확인한다.

결론

우리는 멀티 메사 채널 GaN HEMT에서 비아홀 길이 변조로 채널 폭 300 nm까지 노멀리 오프 동작을 가능하게 함을 입증하였다. WMMC=300 nm, LMMC=6 µm 소자는 Vth=+0.46 V, 낮은 Ron, 향상된 파워 핸들링을 제공하여 차세대 GaN 파워 전자소자의 길을 열었다.