고유전율 1차 보호층 및 비대칭 보호층 구조 적용을 통한 AlGaN/GaN 고전자 이동도 트랜지스터의 동작 특성 향상 연구 = A Study on AlGaN/GaN High-Electron-Mobility Transistors by Applying High-k 1st Passivation and Asymmetric Passivation Structures

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This study presents an approach to improve the frequency characteristics of AlGaN/GaN high-electron-mobility transistors （HEMTs） by modifying the passivation layer. Prior to the simulation analysis, simulation and modeling parameters were derived from the measured data of the 0.15㎛ planar-gate HEMT. To ensure the accuracy and reliability of the results, the error rates for the threshold voltage, maximum transconductance, and cut-off frequency were 0.0%, 1.3%, and 1.5%, respectively. For achieving a high breakdown voltage, a high-k dielectric passivation materials were applied between the gate and drain electrodes, effectively redistributing the electric fields. Additionally, to enhance the cut-off frequency, the gate-to-source region was partially etched to reduce gate-to-source capacitance, forming the asymmetric passivation structure.
For comprehensive performance evaluation, Johnson's figure of merit （J-FOM） was used, and thermal resistance was compared to assess the device's stability under high-temperature conditions.
As a result, the employment of Al2O3 dielectric layer led to a 31.5% improvement in J-FOM. In terms of thermal resistance, while the HfO2 dielectric layer showed a 22.7% increase, the Al2O3 dielectric layer exhibited only a 4.4% increase, confirming that high frequency performance and breakdown voltage can be achieved for high temperature operations.
This study provides valuable insights for the design of AlGaN/GaN HEMTs that can operate reliably under high-voltage conditions.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 제1장 서 론 1
• 제2장 이론적 배경 3
• 제1절 GaN 물질적 특성 3
• 제2절 AlGaN/GaN 이종접합 5
• 1. AlGaN/GaN의 분극 효과 5
• 2. AlGaN/GaN HEMT 소자의 2-DEG 형성 원리 10
• 제3절 자기 발열 효과 （Self-heating effect） 12
• 제3장 AlGaN/GaN HEMT 소자 시뮬레이션 결과 및 분석 15
• 제1절 AlGaN/GaN HEMT 소자 공정 프로세스 15
• 제2절 TCAD 시뮬레이션 파라미터 및 모델 16
• 제3절 소자 동작 특성 시뮬레이션 결과 및 분석 23
• 1. 시뮬레이션 신뢰성 확보 23
• 2. 1st Passivation layer 물질 변화에 따른 동작 특성 분석 27
• 3. Asymmetric passivation layer 구조 도입에 따른 동작 특성 분석 31
• 제4장 결 론 39
• 참 고 문 헌 41
• ABSTRACT 47
• 〈표 목 차〉
• 〈표 2-1〉 Si, GaN, 4H-SiC의 물성 4
• 〈표 2-2〉 GaN, AlN, AlGaN 열용량 모델 파라미터 및 값 13
• 〈표 2-3〉 GaN, AlGaN, 4H-SiC 열전도도 모델 파라미터 및 값 14
• 〈표 3-1〉 기본 Planar-gate HEMT 소자 구조 파라미터 및 값 17
• 〈표 3-2〉 시뮬레이션에 적용한 GaN, AlGaN 물질 특성 19
• 〈표 3-3〉 Si3N4, Al2O3, HfO2의 물질 특성 23
• 〈표 3-4〉 FP 물질 변화에 따른 IDS-VGS, fT 특성 28
• 〈표 3-5〉 ASP 물질 변화에 따른 IDS-VGS, fT 특성 33
• 〈표 3-6〉 소자 구조별 동작 특성 시뮬레이션 결과 요약 38
• [그림목차]
• [그림 2-1] GaN의 성장 방향에 따른 결정 구조 모식도 6
• [그림 2-2] GaN 물질 내 자발 분극 효과 7
• [그림 2-3] AlGaN/GaN 이종접합 계면의 압전 분극 효과 8
• [그림 2-4] AlGaN/GaN 이종접합 내 분극 효과에 의한 2-DEG 형성 모식도 10
• [그림 2-5] AlGaN/GaN 접합 시 밴드 다이어그램 11
• [그림 3-1] 제작된 6 Finger planar-gate AlGaN/GaN HEMT 소자 SEM/TEM 사진 （a） Top view （b） Cross-section view 16
• [그림 3-2] 0.15 ㎛ Planar-gate AlGaN/GaN HEMT 소자 단면 모식도 17
• [그림 3-3] IDS-VGS transfer 특성 （@ VDS = 10V） 데이터 Callibration 24
• [그림 3-4] Output characteristic （@ VGS = -3V to 0V, △V = 0.6V） 데이터 Callibration 25
• [그림 3-5] H21 특성 （@ VDS = 10V, VGS = -2V） 데이터 Callibration 26
• [그림 3-6] Si3N4, Al2O3, HfO2 FP 소자의 IDS-VGS transfer 특성 （@ VDS = 10V） 27
• [그림 3-7] FP 구조별 （a） 전계 분포, （b） 항복전압 특성, （c） CGS 비교 29
• [그림 3-8] FP 유전층 물질에 따른 PD–ΔT 특성 비교 30
• [그림 3-9] Asymmetric passivation （ASP） 구조 단면 모식도 및 시뮬레이션 적용 구조 31
• [그림 3-10] Si3N4, Al2O3, HfO2 ASP 소자의 IDS-VGS transfer 특성 （@ VDS= 10V） 32
• [그림 3-11] ASP 구조별 （a） 전계 분포, （b） 항복전압 특성, （c） CGS 비교 34
• [그림 3-12] ASP 유전층 물질에 따른 PD–ΔT 특성 비교 35
• [그림 3-13] 전체 시뮬레이션 결과 FP, ASP 물질 별 （a） 전계 분산 특성, （b） 항복전압 특성 36
• [그림 3-14] 전체 시뮬레이션 결과 FP, ASP 물질 별 Rth, ΔRth 비교 37