AlN 템플릿 기반 초박형 채널 AlGaN/GaN HEMT의 고장 메커니즘 및 이동성 최적화 +

AlN 템플릿은 AlGaN/GaN HEMT 에피택셜 성장에 사용할 수 있습니다. 자세한 기술 매개 변수는 당사에 문의하십시오.[email protected].

고전압 전력 전자 분야에서 GaN 기반 HEMT는 650V 등급에서 상용 애플리케이션을 달성했지만 최대 1,200V 이상으로 확장하는 것은 여전히 ​​어려운 과제로 남아 있습니다. 기존 GaN-on-Si 구조의 전압 차단 기능은 버퍼층 두께, 웨이퍼 보우 및 결정 품질 간의 균형에 의해 제한됩니다. SiC는 더 넓은 밴드갭을 제공하지만 비용이 시장 침투를 방해합니다. 이러한 배경에서 초광대역 밴드갭 소재인 AlN(밴드갭 6.2eV)은 이론적 항복 자기장이 8.4MV/cm에 달하고 열전도도가 2.9W/(cm·K)에 달해 차세대 전력소자에 이상적인 후보가 되었습니다.

그러나 단순히 AlN을 버퍼층으로 사용한다고 해서 모든 문제가 직접적으로 해결되는 것은 아닙니다. 초박형 채널 전략이 등장했습니다. GaN 채널 두께를 10nm 미만으로 압축하면 2차원 전자 가스(2DEG)가 AlN 버퍼에 더 가까워지고 AlN의 높은 항복 강도를 활용하여 기판과 버퍼의 누출 경로를 억제할 수 있습니다. Abidet al. (2019)는 8nm 얇은 GaN 채널과 Al₀.₉Ga₀.₁N 장벽층을 특징으로 하는 AlN/사파이어 템플릿에서 HEMT 구조를 성공적으로 제작했습니다. 이 장치는 96μm의 접촉 간격에서 10kV(측정 시스템 한계)를 초과하는 측면 항복 전압을 나타냈고, 짧은 간격(2μm)에서 최대 5MV/cm의 항복 필드를 나타냈습니다. 이는 GaN의 이론적인 한계를 훨씬 능가하는 값입니다.

그림 1. 초박형 채널 Al₀.₉Ga₀.₁N/GaN HEMT의 단면 개략도(왼쪽)와 MBE 성장 활성층의 고해상도 TEM 이미지(오른쪽)

그러나 이 구조는 매우 높은 항복 전압과 낮은 이동도가 공존한다는 심각한 모순을 나타냅니다. 홀 측정 결과 2DEG 이동도는 기존 GaN HEMT의 일반적인 1500~2000cm²/(V·s) 수준보다 훨씬 낮은 340cm²/(V·s)에 불과한 것으로 나타났습니다. 이러한 성능 병목 현상은 고주파수 영역에서 장치의 적용을 제한하고 초박 채널 기술의 실제 채택에 주요 장애물을 제시합니다. Bassaleret al. (2022)은 낮은 이동도의 물리적 기원을 밝히기 위해 심층 수준 과도 분광법(DLTS)과 투과 전자 현미경(TEM)을 사용하여 이 문제에 대한 체계적인 재료 물리학 연구를 수행했습니다.

1. 항복 성능의 획기적인 발전: AlN 버퍼의 전압 차단 이점

Abidet al. (2019)는 앞서 언급한 8nm 얇은 채널 구조와 240nm 두께의 채널 구조(Al 함량이 29%인 장벽층)의 두 가지 구조를 비교했습니다. 공기 아크를 방지하기 위해 Fluorinert 솔루션에서 측면 파괴 테스트를 수행하여 극적인 차이를 보여주었습니다.

2μm의 짧은 간격에서 얇은 채널 구조는 5MV/cm를 초과하는 항복 전계에 해당하는 1000V를 약간 넘는 항복 전압을 보인 반면, 두꺼운 채널 구조는 270V(<2MV/cm)에 도달했습니다. 이러한 차이는 초박형 채널의 필요성을 직접적으로 보여줍니다. GaN 채널 두께가 10nm 미만으로 압축되면 공핍 영역이 AlN 버퍼까지 확장되어 장치의 전압 차단 기능이 AlN의 넓은 밴드갭에 의해 좌우됩니다. 저자가 아는 한, 이 실험은 AlN 기반 HEMT에서 얇은 GaN 채널을 사용하여 고전압을 시연한 최초의 실험이었습니다.

96μm의 긴 간격에서 얇은 채널 구조는 누설 전류가 300nA/mm에 불과하고 항복 전압 10kV(시스템 한계)를 달성했습니다. 이는 이종 구조가 기생 전도로 고통받지 않고 채널에서 사파이어 기판까지 완전 공핍이 실현되었음을 나타냅니다.

그림 2 상온에서 접촉 간격 96μm에서 얇은 채널 구조와 두꺼운 채널 구조 사이의 측면 항복 전압 비교

특히 두 구조 모두 접촉 거리가 증가함에 따라 항복 필드가 감소했습니다. Abidet al. 이는 매우 높은 전기장에서 활성화된 재성장 인터페이스 상태에 기인합니다. 이는 고품질 AlN 템플릿을 사용하더라도 MBE 재성장 중에 도입된 계면 결함이 장거리 고전압 조건에서 여전히 영향을 미친다는 것을 의미합니다.

2. 낮은 이동성의 물리적 기원: 경계면, 전위 및 함정

2.1 구조적 결함: 탈구에서 계면 단계까지

Bassaler et al.의 TEM 분석. (2022)은 동일한 구조에 대한 주요 단서를 공개했습니다. [11-20] 평면을 따라 볼 때, AlN 버퍼는 성장 방향을 따라 수많은 스레딩 전위를 포함하고 GaN 채널 인터페이스는 이 평면에서 확연한 계단형 거칠기를 나타냅니다. 대조적으로, [10-10] 평면을 따라 채널 형태는 훨씬 더 적은 단계로 더 규칙적이었습니다. 이 이방성 계면 형태는 2DEG 전송 동작에 직접적인 영향을 미칩니다.

그림 3 (a) [11-20] 및 [10-10] 평면을 따른 샘플 단면의 HAADF-STEM 이미지. (b) [11-20] 평면(화살표로 표시)을 따라 AlN/GaN 및 Al₀.₉Ga₀.₁N/GaN 인터페이스에서 뚜렷한 단계를 보여주는 채널 영역의 확대 보기. 반면 [10-10] 평면은 상대적으로 매끄러움. 삽입된 그림은 [10-10] 평면을 따라 여전히 관찰할 수 있는 몇 가지 단계를 보여줍니다.

XRD 요동 곡선은 AlN(002) 및 (101) 반사의 최대 절반 폭이 각각 350arcsec 및 500arcsec 미만임을 보여 주며 이는 10⁸cm⁻² 미만의 전위 밀도에 해당합니다. 두께가 8nm에 불과한 GaN 층은 피크 폭을 정확하게 결정하기에는 너무 약한 회절 신호를 제공했지만 연구원들은 일부 전위가 얇은 채널까지 확장된 것으로 추론했습니다. 이러한 전위는 AlN/Al2O₃ 인터페이스의 13% 격자 불일치와 직접적인 관련이 있습니다.

더 중요한 것은 계면 단계와 이동성 이방성 사이에 정량적 상관관계가 존재한다는 것입니다. Bassaleret al. 다양한 결정학적 방향을 따라 홀 바의 이동성을 측정했습니다. 결과는 표 1에 요약되어 있습니다.

표 1 다양한 결정학적 방향에 따른 얇은 채널 구조의 시트 저항 및 전자 이동도(Bassaler et al., 2022, 표 II의 데이터)

결정학적 방향	시트 저항(Ω/□)	이동성(cm²/(V·s))
[-12-10]	2419 ± 114	136±14
[01-10]	2280±97	144±14
[11-20]	1795년±70년	183 ± 17
[10-10]	1683 ± 73	195±19

이동성은 [10-10] 방향(195cm²/(V·s))에서 가장 높고, [-12-10] 방향(136cm²/(V·s))에서 가장 낮습니다. 그림 3의 TEM에 의해 관찰된 계단 분포와 비교하면, [11-20] 평면은 정확히 가장 조밀한 계단이 있는 방향이고 수직인 [10-10] 평면은 가장 적은 계단을 가지고 있습니다. 이 대응은 계면 거칠기로 인한 표면 산란이 이동성 저하의 주요 원인임을 결정적으로 입증합니다.

2.2 심층 트랩: 전기 활성 결함의 에너지 분포 및 산란 메커니즘

구조적 결함 외에도 캐리어를 포착하고 방출하는 전기 활성 트랩도 똑같이 중요합니다. DLTS를 사용하여 Bassaler et al. GaN 채널에서 활성화 에너지 범위가 0.14~0.64eV인 5개의 전자 트랩(E1-E5)을 감지했습니다. 연구진은 역방향 바이어스(Vᵣ = -5.4V, -6.0V, -6.6V)를 변경하여 다양한 고갈 조건에서 활성화된 트랩을 구별했습니다. Vᵣ = -5.4V(2DEG가 완전히 고갈되지 않음)에서는 얕은 트랩 E1 및 E2만 감지되었습니다. Vᵣ = –6.0V(채널이 고갈되기 시작)에서 딥 트랩 E3–E5도 나타났습니다.

그림 4 (a) 다양한 역방향 바이어스(-5.4V, -6.0V, -6.6V)에서 정규화된 DLTS 스펙트럼; (b) 온도에 따른 정전용량

트랩 출처 분석:

• E1(0.14eV):질소 결손(Vψ)과 관련됩니다. 유사한 트랩이 Polenta et al.에 의해 관찰되었습니다. 조사된 GaN에서.
• E2(0.24eV):Vψ–VGa 복합체에 기인합니다.
• E4(0.46eV):아마도 질소 결손이나 전위 자체에서 비롯되었을 수 있습니다.
• E5(0.64eV):대표적인 갈륨 공석(VGa) 관련 센터.

AlGaN 장벽과 AlN 버퍼의 전도대는 GaN의 전도대보다 훨씬 높기 때문에 페르미 준위는 이러한 넓은 밴드갭 물질의 전도대에서 1eV 이상 떨어져 있다는 점을 강조할 가치가 있습니다. 결과적으로 감지된 모든 트랩은 GaN 채널 내부 또는 해당 인터페이스에 위치합니다. Bassaleret al. 계면 단계가 격자 주기성을 방해하여 공극 형성 확률을 증가시킨다고 제안했습니다. 이러한 전기활성 트랩은 2DEG 전자를 더욱 산란시키고 계면 거칠기와 함께 이동성을 저하시킵니다.

3. MBE에서 MOCVD까지: 재료 성장을 위한 최적화 경로

이동성 제한을 해결하는 열쇠는 성장 프로세스를 최적화하여 계면 결함 밀도와 트랩 농도를 줄이는 데 있습니다. Senaet al. (2025)은 MOCVD를 통해 AlₓGa₁₋ₓN/AlN 이중 헤테로접합을 AlN/사파이어 템플릿에서 체계적으로 성장시켰으며, Al 조성 x 범위는 0~0.70입니다. 생성된 AlN 버퍼층은 우수한 품질을 나타냈습니다. XRD(002) 대칭 로킹 곡선 FWHM은 15arcsec에 불과하며 대부분의 벌크 AlN 단결정 기판보다 우수하며 나사 전위 밀도는 4.8×10⁵cm⁻²만큼 낮습니다. 원자현미경으로 측정한 결과 5×5μm² 면적에 표면 거칠기(RMS)가 0.22nm로 원자 수준의 평탄도를 달성했습니다.

그림 5 사파이어 기판 위의 1μm 두께 AlN 버퍼층의 품질 특성 분석: (a) 광학 현미경 이미지; (b) AFM 이미지(5×5μm²); (c) (002) 대칭형 요동 곡선; (d) (103) 비대칭 요동 곡선.

Senaet al. (2025)은 2DEG 수송 특성에 대한 AlGaN 채널의 Al 조성의 체계적인 영향을 추가로 밝혔습니다. x = 0(순수 GaN 채널)일 때 2DEG 밀도는 3.49×1013cm⁻²에 도달했습니다. x가 증가함에 따라 2DEG 밀도는 천천히 감소했지만 대부분의 구성에서는 1013cm⁻² 이상으로 유지되었습니다. 홀 이동성은 Al 조성이 증가함에 따라 감소했으며, 이는 합금 산란 및 증가된 유효 질량에 기초한 이론적 기대와 일치합니다. 특히, Sena et al.에 의해 보고된 MOCVD 성장 샘플의 이동성은 다음과 같습니다. MOCVD 공정에 의해 달성된 계면 거칠기가 낮고 잔류 불순물이 적기 때문에 유사한 조성을 가진 MBE 샘플보다 훨씬 높았습니다.

XRD 역 공간 매핑은 x = 0.70에서 AlGaN 채널이 AlN 버퍼에 비해 완전히 변형되었음을 보여주었습니다(이완 정도 R = 0%). x가 감소함에 따라 완화 정도는 점차 증가하여 x = 0에서 41.1%에 도달했습니다. 이는 저Al 조성 채널의 격자 불일치 응력이 전위 슬립에 의해 부분적으로 완화되지만 추가 결함이 발생할 수도 있음을 나타냅니다.

4. 결론 및 전망

위의 연구를 바탕으로 다음과 같은 핵심 결론을 도출할 수 있습니다.

(1) 초박형 채널 전략은 항복 성능을 크게 향상시킵니다. AlN/사파이어 템플릿에 10nm 미만 GaN 채널을 갖춘 AlGaN/GaN HEMT는 측면 항복 전압 >10kV 및 항복 필드 5MV/cm를 달성하여 AlN 버퍼가 기존 GaN-on-Si의 전압 병목 현상을 효과적으로 극복할 수 있음을 보여줍니다.

(2) 낮은 이동성은 여러 결함의 시너지 효과로 인해 발생합니다. 계면 단계로 인한 표면 산란, 스레딩 전위에 의해 제공되는 산란 중심 및 질소/갈륨 결손과 관련된 심층 트랩(DLTS에 의해 검출된 E1-E5, 전위와 관련된 E4 및 VGa와 관련된 E5)은 집합적으로 2DEG 수송을 억제합니다.

(3) MOCVD는 인터페이스 엔지니어링에 이점을 제공합니다. MBE와 비교하여 MOCVD로 성장한 AlN/AlGaN 이종접합은 더 낮은 계면 거칠기와 더 높은 이동성을 나타내어 재료 품질을 최적화하기 위한 실행 가능한 경로를 제공합니다.

따라서 초박형 채널 장치에서 성능 혁신을 달성하려면 다차원적인 시너지 최적화가 필요합니다. (a) AlN 템플릿의 전위 밀도를 줄입니다(예: 고온 어닐링 또는 에피택셜 측면 과성장을 통해). (b) MBE/MOCVD 성장 매개변수를 최적화하여 계면 단계를 억제하는 단계; (c) 공석 트랩을 무력화하기 위해 현장 패시베이션 또는 도핑 보상을 사용합니다. (d) 항복 전압과 전도 손실 사이의 최적 창을 찾기 위해 Al 조성과 이동도의 균형을 유지합니다. 또한, Abid et al. 최적화되지 않은 SiN 패시베이션 층은 트랜지스터 레벨 항복 전압을 600V로 제한했으며 이는 장치 처리도 동시에 개선되어야 함을 나타냅니다.

초박형 채널 AlGaN/GaN HEMT는 "재료 혁신을 통해 장치 한계를 뛰어넘는" 기술 경로의 예시입니다. 현재 이동성 문제로 인해 고주파 애플리케이션이 제한되지만 인터페이스 물리학에 대한 이해를 심화하고 성장 프로세스를 최적화하면 이 기술이 1200V가 넘는 고전압 시장에서 중요한 위치를 차지할 수 있습니다.

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참조:

1. Abid, I., Kabouche, R., Bougerol, C., Pernot, J., Masante, C., Comyn, R., … & Medjdoub, F. (2019). AlN/사파이어 템플릿의 얇은 채널 AlGaN/GaN 고전자 이동성 트랜지스터의 높은 측면 항복 전압. 마이크로머신, 10(10), 690.
2. Bassaler, J., Comyn, R., Bougerol, C., Cordier, Y., Medjdoub, F., & Ferrandis, P. (2022). Al2O에 형성된 얇은 GaN 채널의 수송 특성. 9Ga0. AlN/사파이어 템플릿에서 성장한 1N/GaN 이종 구조.응용 물리학 저널,131(12).
3. Sena, H., Lawton Siukola Thurston, M., Meng, C. 및 Chowdhury, S. (2025). MOCVD(금속-유기 화학 기상 증착)를 사용하여 AlN/사파이어 기판의 AlGaN 채널에 대한 체계적 조사: 더 높은 결정화도와 더 낮은 표면 거칠기를 지향합니다. APL 재료, 13(5).