Fabrication and DC Characterization of BST-Gated AlGaN/GaN MOS-HEMT Structures in Two- and Three-Terminal Configurations

기술 요약: BST 게이트 AlGaN/GaN MOS-HEMT 구조의 제작 및 DC 특성 분석

문제 제기
질화갈륨(GaN) 기반의 AlGaN/GaN 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)는 넓은 밴드갭과 높은 전자 이동도 덕분에 전력 전자 및 고주파 응용 분야에서 탁월한 성능을 제공하지만, 전통적인 쇼트키 게이트 구조는 상당한 한계를 지닌다. 이러한 한계에는 높은 전계 하에서의 상당한 게이트 누설 전류, 문턱 전압 불안정성, 표면 상태 트래핑 및 전류 붕괴가 포함된다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 정전 제어를 향상시키고 누설을 줄이기 위해 유전체 층을 사용하는 금속-산화물-반도체(MOS) 구조가 채택되고 있다. SiNx, Al₂O₃, HfO₂와 같은 고유전율(high-k) 유전체가 흔히 탐구되고 있으나, AlGaN/GaN MOS-HEMT를 위한 게이트 유전체로서 바륨 스트론튬 티타네이트(BST)에 관한 발표된 연구는 매우 드물다. 기존 문헌은 주로 RF 성능이나 항복 전압에 초점을 맞추고 있으며, BST 게이트 소자의 DC 전기적 특성 및 계면 특성에 대한 실험적 데이터는 제한적이다. 또한, BST 형성이 수송 현상 및 소자 동작에 미치는 영향을 평가하기 위해 2단자 및 3단자 BST 게이트 MOS-HEMT의 전기적 특성을 체계적으로 비교한 선행 연구는 존재하지 않는다.

방법론
본 연구에서는 유기 금속 화학 기상 증착법(MOCVD)을 통해 성장된 상용 AlGaN/GaN HEMT 웨이퍼를 사용하였다. 제작 공정은 두 가지 별개의 소자 구성으로 진행되었다:

1. 2단자 소자: BST 증착 전후의 AlGaN/GaN 구조의 전기적 특성을 분석하도록 설계되었다. 오믹 접촉(Al/Cr/Au)은 포토리소그래피와 열 증착법을 사용하여 패턴화되었으며, 이후 870°C에서 급속 열처리(RTA)를 수행하였다. 그 후, RF 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 게이트 영역에 BST 박막을 증착하였다.
2. 3단자 MOS-HEMT: 2단자 구조를 기반으로 제작되었으며, 게이트 영역을 정의하기 위해 두 번째 포토리소그래피 단계가 포함되었다. MOS 게이트를 형성하기 위해 BST 층 위에 Ni/Au (10 nm/50 nm) 게이트 스택을 증착하였고, Al/Cr/Au 스택은 소스 및 드레인 접촉으로 사용되었다. 채널 치수는 길이는 약 100 μm, 폭은 25 μm였다.

전기적 특성 분석은 상온에서 Keithley 2634B 이중 채널 소스미터 유닛을 사용하여 수행되었다. 2단자 소자는 ±1 V에서 ±12 V 사이의 대칭 I-V 스윕을 통해 테스트되었다. 3단자 소자는 출력 곡선($I_{ds}$–$V_{ds}$) 및 전달 곡선($I_{ds}$–$V_{gs}$)을 사용하여 문턱 전압, 전달 컨덕턴스, 온/오프 전류 비와 같은 핵심 파라미터를 추출하였다.

주요 결과

• 2단자 특성 분석: 2단자 소자의 I-V 특성은 BST 증착 후 근사 선형 오믹 동작에서 유의미하게 높은 저항 상태로의 전이를 보여주었다. 임의의 전압 스윕(예: ±12 V)에서 전류는 약 1개 차수 감소하였으며(예: 9.85 mA에서 0.517 mA로), 이는 BST 층의 효과적인 차단 및 절연 특성을 확인시켜 준다.
• 3단자 특성 분석: 제작된 BST 게이트 MOS-HEMT는 드레인 전류에 대한 효과적인 게이트 제어를 나타냈다.
  • 문턱 전압 ($V_{th}$): 약 0.028 V로 추출되었으며, 이는 소자가 정상 작동 모드(normally-on mode)에 가깝게 동작함을 나타낸다.
  • 전류 레벨: $V_{gs} = 0.7$ V에서 온 상태 전류($I_{ON}$)는 $5.78 \times 10^{-8}$ A로 측정되었고, $V_{gs} = -4$ V 및 $V_{ds} = 1$ V에서 오프 상태 전류($I_{OFF}$)는 $3.475 \times 10^{-9}$ A였다. 이를 통해 약 16의 온/오프 전류 비를 얻었다.
  • 전달 컨덕턴스: 최대 전달 컨덕턴스($g_m$)는 $V_{ds} = 20$ V에서 $4.03 \times 10^{-6}$ S로 기록되었다.
  • 출력 특성: 고정된 $V_{ds} = 20$ V에서 $V_{gs}$가 -4 V에서 +4 V로 변함에 따라 드레인 전류($I_{ds}$)는 $4.715 \times 10^{-4}$ A에서 $9.347 \times 10^{-4}$ A까지 점진적으로 증가하였다.

의의 및 주장
본 논문은 BST 게이트 AlGaN/GaN MOS-HEMT의 성공적인 제작 및 DC 특성 분석이 게이트 절연체로서 BST의 생존 가능성에 대한 심도 있는 통찰을 제공한다고 주장한다. 본 연구는 고유전율 BST 층의 도입이 누설 전류를 효과적으로 감소시키고 2차원 전자 가스(2DEG) 채널의 게이트 변조를 가능하게 함을 입증한다. 2단자 및 3단자 구성을 비교함으로써, 본 연구는 특히 이러한 특정 소자 토폴로지의 계면 수송 현상 및 비교 전기적 특성에 관한 데이터 부족 문제를 해결하여 BST 기반 소자의 DC 성능에 관한 문헌적 공백을 메운다. 결과적으로, BST/AlGaN 이종 구조 하에서의 2DEG 기능적 형성을 검증하며, BST가 GaN 기반 소자의 DC 전기적 특성을 향상시키기 위한 유망한 후보임을 시사한다.