Fabrication of AlGaN/GaN HEMT and analysis of electrical performance variation by proton irradiation = AlGaN/GaN HEMT 제작 및 양성자 조사에 따른 전기적 성능 변화 분석

국문 초록 (Abstract)

항공우주 및 위성 산업에서 초고속 데이터 전송, 고해상도 관측, 우주 탐사와 같은 고도화된 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 기술은 전자 소자 에 높은 신뢰성과 성능을 요구하며 특히, 극한의 우주 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있는 기술이 필수적이다. 우주 환경은 강력한 방사선 (Total ionizing dose, single event effect, displacement damage), 극한의 온도 변화, 고진공 상태 등의 환경으로, 전자 소자의 성능 저하와 신뢰성 문제를 초래한다. 이러한 기술적 과제를 해결하기 위해, GaN (Gallium nitride) 기반 반도체 소자가 주목 받고 있다. GaN 소자는 기존 실리콘 (Si) 및 실리 콘 카바이드 (SiC) 소자보다 우수한 물리적 특성을 제공한다. 넓은 밴드갭 (3.4 eV), 높은 전자 이동도, 뛰어난 열전도도를 바탕으로 고전압, 고전력, 고주파 응용에서 탁월한 성능을 보여준다. 또한, GaN은 격자 상수에 따른 변위 임계값 (displacement threshold) 특성이 뛰어나 방사선 환경에서도 높은 내구성을 나타낸다. 이는 GaN의 강한 결합 에너지와 안정적인 격자 구조 덕분에 원자가 외부 방사선이나 충격에 의해 격자 위치에서 이탈하는 데 필요한 에너지가 높다는 것을 의미한다. 위성 통신, 우주 탐사, 레이더 시스템과 같은 고주파 응용에서는 X-band (8~12 GHz), Ku-band(12~18 GHz), Ka-band (26~40 GHz) 대역에서 높은 출력과 효율성이 요구되며, GaN 소자는 이와 같은 요구를 충족할 수 있는 최적의 후보로 평가된다. 그러나, 우주 방사선에 대한 소자 열화 및 성능 저하는 불가피하며 이에 대한 영향을 평가하는 것 뿐만 아니라 내방사선 향상을 위한 공정 기술이 필요하다. 태양이나 별들로부터 쏟아져 들어오는 양성자는 우주 방사선의 80% 이상을 차지하며, 반도체 오작동 원인의 약 30%가량은 우주 방사선이 반도체 소자에 충돌하며 생긴다고 알려져있다. 양성자와 반도체 소자가 충돌하면 수백 마이크로 이상 투과 되며 displacement damage에 의해 Ga과 N 결합이 깨지고 많은vacancy가 생성된다. Vacancy가 생성된 자리에는 acceptor 또는 donor like trap들이 존재하고, 소자 성능에 직접적인 영향을 미친다. 이로 인해 반도체 소자에 치명적인 오류를 유발하므로 인공위성 등에 사용되는 여러 부품과 소재들은 방사선 시험을 통해 그 성능을 사전에 검증해야 한다. 그러나, 국내에서 진행된 연구는 일반적인 GaN 소자 구조에 대한 방사선 평가 연구가 대부분이며, 기존 연구와 차별성을 갖기 위해 본 연구에서는 GaN 반도체 소자의 양성자 조사에 대한 영향을 분석 하고, 내방사선 효과 향상을 위한 제조 기술 연구를 진행하고자 한다. GaN 기반 반도체 소자의 내방사선 효과를 향상시키기 위해TMAH 용액을 이용하여 AlGaN 및 GaN 표면 trap을 제거하고, post metallization annealing (PMA) 공정을 이용하여 표면 donor trap 제거 및 pool-Frenkel emission 현상 감소로 인한 안정적인 Schottky contact 형성 기술을 적용하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter Ⅰ Introduction 1
• 1.1 Overview of the Theis of the Gallium-Nitride (GaN) Transistor 1
• 1.1.1 Merit of III-V Compound Semiconductor Technology 1
• 1.1.2 Material Properties of Gallium-Nitride (GaN) 3
• 1.2 GaN Transistor applications for Space Radiation Environments 5
• 1.3 Outline of the Thesis 8
• 1.4 References 10
• Chapter Ⅱ Background 13
• 2.1 Theory of AlGaN/GaN based High Electron Mobility Transistor (HEMT) 13
• 2.1.1 AlGaN/GaN Heterostructure 13
• 2.1.2 Conduction Band Discontinuity 14
• 2.1.3 Piezoelectric and Spontaneous Polarizations 15
• 2.2 Operation principle of AlGaN/GaN HEMT 18
• 2.3 Effect of Proton irradiation on AlGaN/GaN HEMT 21
• 2.3.1 Radiation Particles in the Space Environment 21
• 2.3.2 Proton Irradiation induced Displacement damage 26
• 2.3.3 Reliability Issues of GaN Transistors on Radiation environment 30
• 2.4 Radiation hardening technology for proton irradiation 33
• 2.4.1 Surface treatment technology using TMAH solution 33
• 2.4.2 Improving Gate Reliability using Post-Metallization Annealing (PMA) 36
• 2.5 References 38
• Chapter Ⅲ Fabrication of AlGaN/GaN HEMT using TMAH pre-treatment 47
• 3.1 Fabrication process of AlGaN/GaN HEMT 47
• 3.2 Experimental Results 50
• 3.2.1 Test Element Group (TEG) 50
• 3.2.2 DC characteristics 61
• 3.3 Simulation of DC Performance Variation in AlGaN/GaN HEMT by Proton induced Displacement Damage 78
• 3.3.1 Simluation methodology of AlGaN/GaN HEMT 78
• 3.3.2 Analysis of displacement damage before after proton irradiation 85
• 3.4 References 90
• Chapter Ⅳ Fabrication of AlGaN/GaN HEMT with PMA 94
• 4.1 Fabrication process of AlGaN/GaN HEMT 94
• 4.2 Experimental Results 97
• 4.2.1 Test Element Group (TEG) 97
• 4.2.2 DC characteristics 109
• 4.3 Simulation of DC Performance Variation in AlGaN/GaN HEMT by Proton induced Displacement Damage 125
• 4.4 References 129
• Chapter Ⅴ Conclusion 131
• Abstract in Korean 133