AlGaN 이중 채널 HEMT: 더 높은 드레인 전류 밀도와 우수한 브레이크다운 전압 달성

초록

본 연구에서는 AlGaN 이중 채널 헤테로구조를 제안하고 금속유기화학증착법(MOCVD)으로 성장시켰으며, 고성능 AlGaN 이중 채널 고전자이동도 트랜지스터(HEMT)를 제작 및 조사했습니다. 이중 채널 특성 구현은 AlGaN 채널 헤테로구조의 수송 특성을 효과적으로 개선합니다. 한편으로는 수직 방향의 이중 포텐셜 웰과 향상된 캐리어 구속으로 총 2차원 전자 가스(2DEG) 밀도가 증가합니다. 다른 한편으로는 각 채널의 평균 2DEG 밀도가 감소하고 캐리어-캐리어 산란 효과 억제로 이동도가 향상됩니다. 그 결과, AlGaN 이중 채널 HEMT의 최대 드레인 전류 밀도(I_max)는 게이트 전압 0 V에서 473 mA/mm에 도달합니다. 또한 AlGaN 이중 채널 HEMT의 우수한 브레이크다운 성능도 입증되었습니다. 이러한 결과는 AlGaN 이중 채널 HEMT가 마이크로파 전력 전자공학에서 큰 응용 잠재력을 가질 뿐만 아니라 III족 질화물 기반 전자 소자 연구에 새로운 사고를 제공함을 보여줍니다.

서론

III족 질화물 기반 고전자이동도 트랜지스터(HEMT)는 빠른 스위칭 속도와 낮은 스위칭 손실로 차세대 마이크로파 전력 전자공학을 위한 가장 유망한 후보로 확인되었습니다[1-5]. 최근 가장 진보된 질화물 HEMT가 650 V까지 초기 상용화를 달성했습니다. 그러나 소자 제작 기술 성숙에 따라 브레이크다운 전압(V_b) 추가 향상과 고온에서 소자 신뢰성 개선이 점점 어려워지고 있습니다. 따라서 GaN보다 더 큰 밴드갭과 우수한 열 안정성을 가진 AlGaN 채널 소자가 고전압 및 고온 응용에서 질화물 HEMT의 성능 한계를 추가로 개선하기 위한 유망한 후보로 제안되었습니다[6-15].

Nanjo 등은 AlGaN 채널 HEMT의 놀라운 브레이크다운 전압 향상을 입증했으며, 게이트-드레인 거리 10 μm에서 Al₀.₅₃Ga₀.₄₇N/Al₀.₃₈Ga₀.₆₂N HEMT의 최대 브레이크다운 전압이 1650 V에 달했습니다[6]. 이후 Nanjo 등은 Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N/Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N HEMT의 브레이크다운 전압을 1700 V로 추가 향상시켰습니다[8]. Zhang 등은 새로운 옴/쇼트키 하이브리드 드레인 접촉을 가진 AlGaN 채널 HEMT를 제작하여 AlGaN 채널 HEMT에서 2200 V 이상의 기록적인 브레이크다운 전압을 얻었습니다[11]. Xiao 등은 807 cm²/V·s의 높은 2DEG 이동도를 가진 AlGaN 채널 헤테로구조를 제안하고 제작된 AlGaN 채널 HEMT의 최대 드레인 전류와 I_on/I_off 비율 기록을 보고했습니다[14]. 이후 Xiao 등은 초격자 AlGaN 채널 층을 가진 상시 오프 HEMT를 최초로 제안했으며, 제작된 소자는 2000 V 이상의 브레이크다운 전압, 768 mA/mm의 높은 온 전류 밀도, 1.0 V의 문턱 전압(V_T)을 보였습니다[15]. 최근 Baca 등은 80 nm 길이 게이트를 가진 AlGaN 채널 HEMT의 무선 주파수(RF) 성능을 평가했습니다. 소신호 S-파라미터 측정에서 f_T 28.4 GHz와 f_MAX 18.5 GHz가 결정되었습니다[12]. 이러한 결과는 AlGaN 채널 HEMT가 RF 전력 응용에 유망함을 보여줍니다.

그러나 이전에 보고된 AlGaN 채널 소자의 한계도同样明显합니다. 한편으로는 삼원 합금 무질서 산란 효과로 인해 AlGaN 채널의 2DEG 이동도가 GaN 채널보다 훨씬 낮습니다. 결과적으로 AlGaN 채널 소자의 전류 구동 능력은 기존 GaN 채널 소자보다 훨씬 낮습니다. 다른 한편으로는 AlGaN 채널에서 동일한 양의 2DEG를 유도하기 위해 AlGaN 배리어 층의 AlN 조성이 기존 GaN 채널 헤테로구조보다 높아야 하며, 이는 소재 성장 공정의 어려움을 증가시킵니다. 이러한 모순은 AlGaN 채널 소자의 광범위한 응용을 심각하게 억제하며, 헤테로구조 레이아웃 최적화가 시급합니다.

이중 채널 기술은 전자 이동도에 악영향 없이 질화물 기반 헤테로구조의 채널 캐리어 밀도를 높이는 흥미로운 접근법으로, 소자의 전류 전도 능력이 향상됩니다[16-18]. 그러나 지금까지 AlGaN 이중 채널 헤테로구조나 전자 소자에 대한 보고는 거의 없습니다. 본 연구에서는 최초로 AlGaN 이중 채널 헤테로구조를 제안하고 성장시켜 질화물 기반 전자 소자의 전류 구동 능력과 브레이크다운 성능 간의 모순을 해결했습니다. 또한, 새로운 헤테로구조 기반 고성능 AlGaN 이중 채널 HEMT를 제작하고 상세히 조사했습니다.

방법

AlGaN 이중 채널 헤테로구조의 단면 개략도는 그림 1a에 나와 있으며, 성장 공정은 다음과 같이 요약할 수 있습니다. 첫째, 사파이어 기판 위에 1600 nm GaN 버퍼 층을 성장시켰습니다. 그런 다음 AlN 조성이 0에서 10%로 증가하는 500 nm 그레이디드 AlGaN 버퍼 층을 성장시켰으며, 이는 기생 채널 형성을 억제하는 데 유리합니다. 이후 100 nm 하부 AlGaN 채널, 1 nm AlN 중간층, 23 nm 하부 AlGaN 배리어를 순차적으로 성장시켰으며, 채널과 배리어 층의 AlN 조성은 각각 10%와 31%입니다. 마지막으로 30 nm 상부 AlGaN 채널, 1 nm AlN 중간층, 23 nm 상부 AlGaN 배리어 층을 성장시켰으며, 조성은 하부 층과 동일합니다. AlGaN 이중 채널 헤테로구조의 전도대 다이어그램은 1차원 포아송-슈뢰딩거 방정식을 비균일 메쉬 크기로 유한 차분법을 사용하여 자기일관적으로 풀어 계산할 수 있습니다[19]. AlGaN 이중 채널 헤테로구조의 전도대 다이어그램과 추출된 전자 밀도 분포는 그림 2a에 나와 있으며, 비교를 위해 AlGaN 단일 채널 헤테로구조 결과도 그림 2b에 제공됩니다. AlGaN 이중 채널 헤테로구조에서 AlN 중간층과 Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N 채널 층 계면에 두 개의 깊은 포텐셜 웰이 형성되어 이중 2DEG 채널에 해당합니다. 또한 상부 채널의 2DEG 밀도가 하부 채널보다 높은 것을 관찰할 수 있으며, 이는 두 가지 측면에서 설명됩니다. 한편으로는 하부 AlGaN 배리어가 상부 채널의 백 배리어 역할을 하여 상부 채널의 2DEG 구속을 촉진합니다. 다른 한편으로는 질화물 헤테로구조에서 채널 2DEG의 주요 공급원이 기증자형 표면 상태[20]이며, 이는 상부 채널에 더 가깝습니다.

결과 및 고찰

그림 3은 대칭(0004) 반사에서 AlGaN 이중 채널 헤테로구조의 고해상도 X선 회절(HRXRD) ω-2θ 스캔 결과를 보여줍니다. AlN 핵생성 층, GaN 버퍼, AlGaN 그레이디드 버퍼, AlGaN 채널, AlGaN 배리어 층에서의 회절 강도를 관찰할 수 있습니다. 또한 71.0°에서 73.2°까지의 스펙트럼 스캔을 그림 2b에 확대하여 표시했으며, 로렌츠 함수를 적용하여 다중 피크를 피팅했습니다. GaN 버퍼, AlGaN 채널, AlGaN 배리어의 회절 피크는 각각 71.6°, 72.2°, 72.8°에 위치하며, AlGaN 그레이디드 버퍼는 GaN 버퍼와 AlGaN 채널 피크 사이에 플랫폼을 형성합니다. 이러한 결과는 뚜렷한 다층 구조와 정교한 성장 공정 제어를 나타내며, AlGaN 채널과 배리어의 AlN 조성 10%와 31%를 추출할 수 있습니다.

수은 프로브 구성의 정전용량-전압(C-V) 측정을 수행하여 헤테로구조의 이중 채널 특성을 조사했습니다. 그림 4 인셋에서 0에서 -15 V로 전압을 쓸 때 -2.5 V와 -10 V 부근에서 두 개의 뚜렷한 정전용량 계단을 관찰할 수 있으며, 이는 AlN/Al₀.₁₀Ga₀.₉₀ 계면에서 2DEG 고갈에 해당합니다. 또한 캐리어 분포 특성을 C-V 곡선에서 추출할 수 있으며 결과는 그림 4에 나와 있습니다. 두 캐리어 농도 피크가 24 nm와 78 nm에 위치하며 값은 각각 6.1 × 10¹⁹와 2.5 × 10¹⁹ cm⁻³로, 그림 2의 계산 결과와 일치합니다. 특이하게도 테스트 깊이가 1 μm에 도달할 때까지 기생 전도 채널이 관찰되지 않아 헤테로구조의 이중 채널 특성 달성이 성공했음을 시사합니다. 또한 홀 효과 측정으로 2DEG 시트 밀도와 이동도가 각각 1.3 × 10¹³ cm⁻²와 1130 cm²/V·s로 결정되었습니다.

표준 HEMT 제작 공정을 AlGaN 이중 채널 헤테로구조에 수행했습니다. 소자 제작 공정은 전자빔 증착으로 Ti/Al/Ni/Au 다층 금속 스택으로 옴 접촉 형성으로 시작하여 N₂ 분위기에서 850°C, 30초 급속 열 어닐을 수행했습니다. 그런 다음 메사 분리를 Cl₂/BCl₃ 유도 결합 플라즈마 에칭으로 200 nm 깊이까지 수행하고, 100 nm 두께의 SiN 패시베이션 층을 플라즈마 강화 화학기상증착으로 형성했습니다. 이후 게이트 길이(L_G) 0.8 μm의 게이트 영역을 CF₄ 플라즈마로 상부 SiN 에칭 후 포토리소그래피로 정의하고 Ni/Au 쇼트키 게이트 전극을 증착했습니다. 게이트-소스(L_GS) 및 게이트-드레인(L_GD) 거리는 각각 0.8 μm와 1 μm입니다. 비교를 위해 기존 AlGaN 단일 채널 및 GaN 이중 채널 헤테로구조 기반 두 개의 추가 HEMT 시료도 제작했으며, 단면 개략도는 그림 1b, c에 나와 있습니다. 추가 HEMT 시료의 소자 공정과 특성 파라미터는 AlGaN 이중 채널 HEMT와 정확히 동일합니다. 소자의 출력 및 전달 특성은 Keithley 4200 반도체 파라미터 분석기로 수행했으며, 브레이크다운 특성은 Agilent B1505A 고전압 반도체 분석기 시스템으로 수행했습니다.

HEMT의 전형적인 출력 특성은 그림 5에 나와 있으며, V_GS와 V_DS를 각각 0~-10 V와 0~10 V로 쓸었습니다. AlGaN 단일 채널 시료의 최대 드레인 전류 밀도(I_max)와 차동 온저항(R_on)은 각각 265.3 mA/mm와 27.1 Ω·mm입니다. 이 결과는 이전 보고와 일치하며 AlGaN 채널 HEMT의 전류 구동 능력 부족을 시사합니다. AlGaN 이중 채널 HEMT의 경우 I_max가 473 mA/mm로 급격히 증가하여 AlGaN 단일 채널 HEMT보다 1.8배 높습니다. 우리는 I_max 향상을 AlGaN 이중 채널 헤테로구조의 우수한 수송 특성에 기인한다고 봅니다. 한편으로는 이중 채널 구조가 수직 방향으로 두 개의 포텐셜 웰을 가져 AlGaN 전도 채널의 캐리어 저장 능력이 향상됩니다. 다른 한편으로는 총 채널 캐리어 밀도가 증가하지만 각 채널의 평균 전자 밀도는 감소합니다. 결과적으로 캐리어-캐리어 산란 효과가 억제되고 채널 전자 이동도가 향상됩니다. 그러나 AlGaN 이중 채널 HEMT의 R_on이 12.5 Ω·mm로 여전히 GaN 이중 채널 HEMT보다 큰 것을 관찰할 수 있습니다. 이 현상은 AlN 조성이 31%로 높은 AlGaN 배리어 층의 큰 접촉 장벽 높이와 관련이 있습니다. 높은 전력 소산으로 인한 자기 발열 효과로 인해 V_GS > -4 V이고 V_DS > 6 V일 때 GaN 이중 채널 HEMT에서 음의 차동 저항 효과를 관찰할 수 있습니다. 그러나 AlGaN 채널 HEMT(단일 채널과 이중 채널 모두)에서는 이 음의 차동 저항 효과가 유의하게 억제되어 AlGaN 채널 HEMT가 고온 조건에서 우수한 성능을 가짐을 나타냅니다.

그림 6은 V_DS 10 V에서 HEMT의 전형적인 전달 특성을 보여줍니다. AlGaN 단일 채널 HEMT는 -3.8 V의 문턱 전압(V_T)을 보이며, V_GS = -1.5 V 부근에서 열등한 피크 외부 트랜스컨덕턴스(G_m,max) 80.5 mS/mm를 나타냅니다. AlGaN 이중 채널과 GaN 이중 채널 HEMT의 경우 V_T가 -9.2 V와 -11.2 V로 현저히 감소하는데, 이는 높은 채널 캐리어 밀도와 게이트 전극에서 하부 2DEG 채널까지의 상대적으로 긴 거리에 기인합니다. 높은 V_T는 소자 오프 상태에서 높은 전력 손실을 초래할 수 있으며, 이 문제는 이중 채널 구조의 성장 파라미터 추가 최적화(배리어 및 상부 채널 층 두께 적절히 감소)로 개선될 수 있습니다. 특이하게도 AlGaN 이중 채널과 GaN 이중 채널 HEMT의 트랜스컨덕턴스 곡선에서 이중 험프 특성을 관찰할 수 있습니다. AlGaN 이중 채널 HEMT의 경우 V_G = -1.0 V와 -6.0 V에서 97.9와 42.5 mS/mm의 두 피크 값을 추출할 수 있습니다. 서브 피크 값이 G_m,max의 43%에 달해 AlGaN 이중 채널 HEMT의 우수한 게이트 제어 능력과 선형성을 나타냅니다. 또한 이전 연구 성과[21]에 기반하여 AlGaN 이중 채널의 두께와 조성 등 구조 파라미터 조절로 결과를 추가 개선할 수 있으며, 이중 채널 간 결합 효과와 소자 선형성을 향상시킬 수 있습니다.

다른 헤테로구조 기반 HEMT의 오프 상태 브레이크다운 특성을 측정하여 그림 7에 나타냈습니다. V_b는 누설 전류가 5 μA/mm에 도달하는 기준으로 정의됩니다. 세 시료 모두 하드 브레이크다운 특성을 보이며, AlGaN 채널 HEMT의 브레이크다운 성능이 GaN 채널 HEMT보다 명백히 우수합니다. AlGaN 이중 채널 HEMT의 V_b는 143.5 V로 GaN 이중 채널 HEMT의 2배 이상입니다. L_GD = 1 μm를 고려하면 AlGaN 이중 채널 HEMT의 V_b,standard(V_b/L_GD 정의)는 143.5 V/μm로 높습니다. 본 연구의 AlGaN 이중 채널 HEMT I_max와 V_b,standard 결과를 다른 그룹이 보고한 GaN 채널 및 AlGaN 채널 HEMT와 비교하여 그림 8에 나타냈으며, 디플리션 모드(DM)와 인핸스먼트 모드(EM) 소자 결과를 구분했습니다. 또한 이전 보고와 본 연구의 AlGaN 채널 HEMT(헤테로구조) 핵심 지표를 표 1에 요약했습니다. 그림 8에서 알 수 있듯이 AlGaN 채널 HEMT의 브레이크다운 성능은 일반적으로 GaN 채널 HEMT보다 우수하며, I_max 저하를 동반합니다. 주목할 점은 본 연구의 AlGaN 이중 채널 I_max가 대부분의 GaN 채널 HEMT 결과와 비교 가능하다는 것입니다. 또한 본 연구의 I_max 값은 V_GS = 0 V에서 얻은 것으로 보수적이며 양의 게이트 전압 적용으로 추가 개선 가능합니다. 따라서 이러한 결과는 AlGaN 이중 채널 HEMT가 마이크로파 전력 소자 응용에서 엄청난 잠재력을 가짐을 설득력 있게 입증합니다.

결론

요약하자면, 고성능 HEMT 제작을 위해 AlGaN 이중 채널 헤테로구조를 제안했습니다. AlGaN 이중 채널 헤테로구조의 우수한 수송 특성이 밝혀져 HEMT의 전류 구동 능력이 향상되었습니다. 또한 AlGaN 이중 채널 HEMT의 우수한 브레이크다운 성능이 입증되었습니다. 본 연구 결과는 AlGaN 이중 채널 소자가 향후 마이크로파 전력 응용에서 큰 잠재력을 가짐을 보여줍니다.