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문턱전압의 안정성을 높이기 위한 능동 U 모양 p-GaN 게이트 HEMTs

Active U-shaped p-GaN gate HEMTs for improved threshold voltage stability

  • 이종원 (아주대학교 일반대학원)

초록/요약

본 연구는 p-GaN enhancement mode GaN HEMT의 새로운 게이트 구조를 제안하고 소자를 제작하였다. 고주파 및 고전력 소자로 유망한 GaN HEMT는 e-mode로 동작하기 위해 산업에서 p-GaN을 적용하여 사용하고 있는데, p-GaN은 충분치 못한 문턱전압(Vth)와 Vth의 안정성 문제는 계속해서 연구되어 왔다. 작은 문턱전압은 노이즈(noise)에 있어서 소자와 전체 회로의 안정성을 해친다. 그리고 p-GaN은 Schottky 접합을 형성할 때, p- GaN이 전기적으로 플로팅(floating)되어 게이트나 드레스의 스트레스에서 내부 전위가 바뀌고 이로 인해 게이트 영역의 채널의 Vth에 변화를 가져온다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 다양한 공정과 구조에 대한 연구가 진행되어 오고 있으나, 두가지를 안정적으로 해결하며 소자의 성능을 유지하는 구조에 대한 연구는 아직 많이 진행되지 못하였다. 따라서 이 연구에서는 Vth를 증가시키고, Vth의 안정성을 높일 수 있는 새로운 구조를 제안하고, 이를 시뮬레이션으로 확인하고 소자 제작과 측정을 통해 증명하고자 한다. 소자는 p-GaN 게이트 가운데 부분을 식각으로 통해 얇은 두께로 남겨 두고, 절연체를 증착한 뒤 게이트 금속을 증착한 구조를 가진다. 이때 오른쪽 부분만 절연체를 일부분 식각하여, Ohmic 접촉하도록 한다. 양의 전압이 가해질 때, 가운데의 얇은 p-GaN에 공핍영역이 형성되는 것을 이용하여, 왼쪽에 형성된 MIS 게이트와 오른쪽의 Ohmic 게이트가 분리된 채 동작한다. 이를 통해 MIS 게이트의 Vth를 전체 소자의 Vth로 가져가고, 전압이 돌아와 공핍영역이 풀리면, Ohmic 게이트가 전체 소자의 게이트로 동작하여 Vth의 안정성을 보장한다. Sentaurus TCAD 시뮬레이션을 통해 구현하고, 공핍영역이 형성되었을 때 전체 소자의 Vth가 MIS 게이트에 의해 조절되는 것을 확인하였다. 그리고 게이트 스트레스를 인가하여, 공핍영역이 풀렸을 때, Ohmic 게이트가 Vth의 안정성을 효과적으로 보장하는 것을 확인하였다. 그리고 드레인 전압에 따라 p-GaN 내부 전위가 바뀌어 전도대 에너지에 변화를 주는 GDCBL(Gate Drain Coupled Barrier Lowering) effect를 확인해 보았다. 이를 통해 공정 전 아이디어가 효과가 있는지 검증했다. 마지막으로 AU 게이트 소자공정을 진행하였다. 이때, p-GaN 식각이 중요한 만큼 식각 깊이에 따른 소자 특성을 확인하고 Ohmic 게이트를 최적화함에 따라 소자를 제작하였다. 제작 후 의도했던 특성 확인을 위해 스트레스 전압 펄스를 구성하고, 이를 소자에 적용하여 소자의 안정성과 Vth의 증가를 확인하였다. 이 연구는 차세대 전력 반도체 소자인 p-GaN HEMT의 약점을 보완하여 높은 안정성을 가진 구조를 제시한다. 뿐만 아니라 소자의 안정성 평가를 시뮬레이션과 실제 측정에서 어떻게 평가할 수 있을지에 대한 방법들도 소개하여, 다른 연구에서 평가에 도움을 줄 수 있을것으로 기대된다.

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목차

제 1장 서론 1
제 1.1절 연구의 필요성 1
제 1.2절 배경 이론 3
1. GaN HEMT 3
2. p-GaN HEMT 5
3. p-GaN HEMT의 한계와 새로운 구조 제안 7
제 2장. AU (Active U-shaped) p-GaN HEMT 시뮬레이션 13
제 2.1절 MIS 게이트 13
제 2.2절 Ohmic 게이트 17
제 3장. AU p-GaN HEMT의 공정 및 측정 22
제 3.1절 공정과정 22
제 3.2절 소자 특성 측정 28
제 4장. 결론 32
참고문헌 35

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