- AlGaN/GaN HFET를 중심으로 - Wide band-gap 반도체를 이용한 전자소자의 연구개발동향 - AlGaN/GaN HFET를 중심으로 - 특 허 청/전 기 전 자 심 사 본 부 반 도 체 심 사 팀 심 병 로

Outline 서 론 Wide band-gap 반도체의 재료특성 Wide band-gap 반도체 소자의 응용분야 고주파 Power Device & Wide band-gap 반도체 - (1) 기대되는 특성과 응용분야 - (2) 개발현황 V. AlGaN/GaN HFET의 새로운 시도 VI. 결 론

I. 서 론

- Wide band-gap 반도체란 ? - 경(輕)원소 C : 탄화물 N : 질화물 O : 산화물 III IV V VI 2 ・ IV-IV族 ・ Poly-type ・ MOS 구조 ・ 간접천이형 N : 질화물 ・ III-V族 ・ Hetero구조가 가능 ・ 혼정존재 ・ 직접천이형 O : 산화물 ・ II-VI族 ・ 절연체부터 超전도체까지 III IV V VI 2 B C N O 경(輕)원소 3 Mg Al Si P S 4 Zn Ga Ge As Se 5 Cd In Sn Sb Te IV族 원소/화합물 III-V族 화합물 II-VI族 화합물 경(輕)원소 반도체 ・ 결합에너지 - 大 ・ 고(高)융점 ・ 격자정수 - 小 큰(大) ・ band-gap & 열 전도도 ・ 절연 파괴 전계 (電界) ・ 포화 이동 속도 (drift velocity) ・ 고온・화학적 안정성 Solid State Electronics ・ 고온동작소자 ・ High-Power 소자 ・ 고주파 Power 소자 ・ 단파장 광소자

- 화합물반도체의 격자정수와 밴드 갭 - Band-gap (eV) – R.T. Wavelength (nm) 8 c-BN Band-gap (eV) – R.T. AlN 200 6 Wavelength (nm) Diamond MgS 4 h - Z n S 300 h-BN 2H-SiC GaN MgSe 15R-SiC c-ZnS 6H-SiC 400 ZnO ZnSe HgS 4H-SiC AlP CdS AlAs ZnTe 2 InN 600 3C-SiC GaP CdSe BP CdTe 800 InP AlSb BAs GaAs 1000 Si GaSb InSb 2000 Ge InAs Sn HgSe HgTe 1.5 2.0 2.5 3.0 Bond Length (Å)

II. Wide band-gap 반도체의 재료특성

- 각종 반도체의 물성정수 - Material Eg ε µn Ec νsat κ Band type Si GaAs c-GaN R.T. Material Eg ε µn Ec νsat κ Band type eV cm2/Vs 106 V/cm 107 cm/s W/cmK Si 1.1 11.8 1,350 0.3 1.0 1.5 I GaAs 1.4 12.8 8,500 0.4 2.0 0.5 D c-GaN 3.27 9.9 1,000 1 2.5 1.3* D h-GaN 3.39 9.0 900 3.3 2.5 1.3 D 3C-SiC 2.2 9.6 900 1.2 2.0 4.5 I 6H-SiC 3.0 9.7 370a , 50c 2.4 2.0 4.5 I 4H-SiC 3.26 10 720a , 650c 2.0 2.0 4.5 I AlN 6.1 8.7 1,100 11.7 1.8 2.5 D Diamond 5.45 5.5 1,900 5.6 2.7 20 I a: along a-axis, c: along c-axis, * estimate SH-HEMT/GaAs DH-HEMT/GaAs P-HEMT/InP GaN-HEMT/Sapphire µ (cm2/Vs) 5,000 ~ 6,500 5,000 ~ 6,500 9,500 ~ 12,000 800 ~ 1,700 ns (1012/cm3) 1.5 ~ 2.5 2.0 ~ 3.0 3.0 ~ 4.0 15 ~ 20 nsµ (1015/Vs) 7 ~ 16 10 ~ 20 30 ~ 50 12 ~ 34 Rch (Ω/sq) 400 ~ 600 300 ~ 500 150 ~ 250 200 ~ 520

- 각종 반도체의 성능지수 - * Figures of Merit Material Johnson Keyes Shenai (QF1) Shenai (QF2) Baliga Baliga (Ecνsat/π)2 κ(νsat/ε)1/2 κσA κσAEc εµEc3 µEc2 Si 1 1 1 1 1 1 GaAs 7.1 0.45 5.2 6.9 15.6 10.8 c-GaN 685 1.5 20 67 23 8.2 h-GaN 760 1.6 560 6,220 650 77.8 3C-SiC 65 1.6 100 400 33.4 10.3 6H-SiC 260 4.68 330 2,670 110 16.9 4H-SiC 180 4.61 390 2,580 130 22.9 AlN 5,120 21 52,890 2,059,000 31,700 1,100 Diamond 2,540 32.1 54,860 1,024,000 4,110 470 σA = Shenai (QF3) = εµEc3 T. P. Cho, Materials Science Forum, Vol. 338 - 342 (2000) 1155

- Wide band-gap 반도체 소자의 특성 - PN접합의 누출전류 Vs. 온도의존성 온 저항(Ron)과 내압 100 102 10-2 1 GaAs Leak Current Density (A/cm2) On Resistance (Ωcm2) 10-4 10-2 4H-SiC Si 6H-SiC Si 6H-SiC GaN GaN Diamond 10-6 Diamond 10-4 1.0 1.5 2.0 2.5 102 103 104 1000/Temperature (1/K) Breakdown Voltage (V)

III. Wide band-gap 반도체 소자의 응용분야

- Wide band-gap 반도체의 Advantages - ▪ 높은 포화 이동 속도 (GaAs의 1.35배) ▪ 큰 절연 파괴 전계 (GaAs의 5배) ▪ Hetero접합의 이용이 가능 ▪ 넓은 금지대폭 (GaAs의 2.4배) ▪ 높은 열전도율 (GaAs의 2.4배) ▪ 낮은 유전율 (GaAs의 약 1/2) ▪ 안전하고 풍부한 재료 ▪ 빛을 발하는 반도체 빠른 전자주행 고속 빠른 전자주행 큰 신호전압 고출력 고온까지 저항변화 없음 열방산(放散) - 大 고온 안정 동작 열방산(放散) - 大 기생용량 적음 환경조화 稀少원소 없음, 無害, Recycle 재료특성으로 볼 때, 차세대 전자소자의 최(最)강력 후보

- Wide band-gap 반도체 소자의 응용분야 - ▪ 내환경용 소자 (고온동작, 고방사선 환경) ▪ 고출력/고주파용 소자 ▪ 고전력용 소자(고내압, 대전류) ▪ 저손실용 소자 ▪ 단파장용 광소자

Applications of High Temperature Devices Limit of Diamond Devices - 고온동작용 소자 - Applications of High Temperature Devices Temperature Limit of Si Limit of Diamond Devices 1010 High Temp. Operation Higher Integration for High-Speed & High- Capacity Limit of SiC Devices 108 ULSI SOI Devices 106 VLSI SiC Devices Integration Density (Gates/cm2) Diamond Devices 104 Cars & Planes LSI Dashboard Engine Room 102 Direct Control of Engine Nuclear Power Plants ICs Artificial Satellites & Survey of Venus and Sun Survey of Terrestrial Heat & Oil Rock Floor Magma 100 100 200 300 400 500 800 1000 Operating Temperature (OC)

IV. 고주파 Power Device

: 1, 2 → Wide band-gap 반도체의 이용 - 고주파 소자의 주파수와 출력 - ▪ 3종의 제약 1. Thermal Limit 2. Material Parameter Limit 3. Current Gain Limit ▪ 제약의 극복이 응용분야의 확대로 연결 : 1, 2 → Wide band-gap 반도체의 이용

- 전계 Vs. 포화 이동 속도, 절연 파괴 전계 - Wide band-gap 반도체의 특징 고출력/고주파 동작에 적합하다 Slope : mobility 1. 저전계 지역에서, 고이동도 (GaAs, InP) 2. 고전계 지역에서, 이동속도 감소(GaAs, InP) 3. GaN – 고전계 지역에서, 높은 이동속도 Wide band-gap 반도체의 특징 ▪ 절연 파괴 전계가 크다 ▪ 이동 속도 자체가 크다 ▪ 고(高)전계에서 포화한다 3 GaAs InP GaN 2 Drift Velocity (107 cm/s) 미세화한 후에, 고전압 동작이 가능 1 Si 50 100 150 200 250 300 Electric Field (kV/cm) 고출력/고주파 동작에 적합하다

- 질화물 반도체 소자의 특징 - ▪ 고전계(高電界)에서의 고속동작이 장점 - 높은 포화 이동 속도, 절연 파괴 전압 - 미세화 상태에서 고전압 동작, 고출력, 에너지 절감 ▪ 결정변형(strain)에 근거하는 2차원 전자가스 계 - 큰 밴드 불연속, 자발 분극, Piezo Effect (µ = 1,000 ~ 1,500 cm2/Vs, ns = ~ 1013/cm2) ▪ 격자정합이 되는 기판재료의 결여 - Heteroepitaxy - (Sapphire, SiC) ▪ Wide band-gap 반도체인 신규재료를 이용한 소자 (재료 프로세스기술이 새로이 변화됨)

- 고주파 소자의 시장 - ▪ 정보통신 취급량의 증가로 급속한 성장 위성통신 : 일본에서의 시장예측 (GaN계 고주파 소자) 휴대전화, 이동체 통신 : 사용량 4억개 매년 30%의 성장률 위성통신 : 위성통신용 반도체 = ２억불 (1998년) 매년 25%의 성장률 연간 약 100대의 새로운 위성 고주파 시장(1999년) 45억불 Si GaAs Others 2005년 2010년 제3세대 휴대전화 기지국 120억엔 400억엔 휴대단말관계 60억엔 250억엔 ITS (차량탑재 radar) 1억엔 30억엔 일본에서의 시장예측 (GaN계 고주파 소자)

Strategies Unlimited (2000년)의 - GaN 전자소자의 시장예측 - Strategies Unlimited (2000년)의 GaN 전자소자시장의 예측

- GaN 전자소자의 이점 - ▪ 고출력화 (Infra로서의 기지국용) - 동작전압증대 (전계강도의 증대) - 구동전류증대 (이동속도, 캐리어 농도의 증대) ▪ 고주파화 (저소비전력 휴대단말용) - 미세 Gate화 (전계강도의 증대) 포화이동속도, 절연파괴전압이 큰 재료가 유리 - 질화물 반도체 -

- 數 GHz Power FET의 Roadmap - 4-chip 2.1 GHz 50 V 1400 1200 GaN계 소자 GaAs계 소자 1000 Chip 數에서 이득을 취해도 Loss가 크고, Power는 얻을 수 없다. Power (W) 800 2-chip 2.1 GHz 40 ~ 50 V 600 절연 파괴 전압 0.5 MV/cm에서는 Lg = 0.5 µm에서 동작전압 24 V가 한계 6-chip 2.1 GHz 20 ~ 24 V 400 4-chip 2.1 GHz 12 V, 0.6 µm 6-chip 2.1 GHz 16 ~ 20V 4-chip 2.1 GHz 12 V, 0.7 µm 4-chip 800 MHz 12 V, 0.8 µm 200 2-chip 800 MHz 10 V, 1.0 µm 2-chip 800 MHz 10 V, 1.0 µm 1-chip 2.1 GHz 32 V 92 96 00 04 08 Year

- 고주파 소자의 비교 - GaN계 디바이스 GaAs계 디바이스 (1 chip) (4 chip 합성) 출 력 150 ~ 300 W 100 ~ 150 W 동 작 전 압 50 V 12 V 耐 환 경 온 도 300 oC 80 oC Device Module Size 5 x10 mm 30 x 60 mm

Device 자체의 효율화 및 주변설비의 간소화 - GaN와 GaAs 고주파 소자의 비교 - 200 W (2 GHz) 소자의 例 GaN GaAs 1 chip (합성손실 - 無) 발열 - 小 동작전압 - 48 V 방열판 - 無 모듈 - 小 (PKG Cost - 小) 4 chip (합성손실 - 大) 발열 - 大 동작전압 - 12 V 방열판 - 有 모듈 - 大 (PKG Cost - 大) Device 자체의 효율화 및 주변설비의 간소화

광소자(청색 LED, LD)의 성공에 기인하여 - 질화물 반도체의 현 기술수준 - 광소자(청색 LED, LD)의 성공에 기인하여 전자소자의 연구가 진행됨. - 광소자용 결정을 전자소자에도 적용 - 광소자 : High Doping, - 전자소자 : High Quality (고순도) GaAs계 전자소자는 능가하지만, 질화물 반도체의 물성으로부터 기대되는 특성은 실현되지 않고 있음. 결정의 품질이 전자소자 용도로서는 불충분함.

- 질화물 반도체 HFET의 구조와 요소기술 - 고정밀도 표면처리 Etching 기술 Contact 기술 절연막 이온주입기술 소자구조설계기술 G 전극 n-GaN S 전극 D 전극 n-AlGaN Hetero-interface 제어 + + i-AlGaN 저결함 2DEG i-GaN Epitaxial Growth 소자분리영역 반절연성기판 (Sapphire, SiC, GaN etc.) Via hole Buffer Layer (AlN etc) Via hole, 기판박층화 기술

- AlGaN/GaN HFET의 gm, fT - 103 103 102 fT (GHz) gm (mS/mm) 102 10 10 1 0.01 0.1 1 10 0.01 0.1 1 10 Gate Length (µm) Gate Length (µm)

- AlGaN/GaN HFET의 현황 (I) - 靜 특성 고주파 특성 ▪ 최대전류밀도 Idmax : 1 ~ 1.8 A/mm ▪ 상호 컨덕턴스 gm : 300 ~ 400 mS/mm ▪ 내압 (耐壓) 1300 V (Lgd = 16 mm) fT: 60 ~ 120 GHz 121 GHz (IWN 2002) fmax : 100 ~ 150 GHz (Lg : 0.05 ~ 0.2 mm) 162 GHz (0.12mm) (IWN 2002)

- AlGaN/GaN HFET의 현황 (II) - Power Density on Sapphire 2.8 W/mm (8 GHz)1 2.6 W/mm (10 GHz)1 6.6 W/mm (6 GHz)2 Power on Sapphire 7.6 W (Wg : 6 mm) (flip-chip 기술 이용) 22.6 W (Wg : 16 mm) (기판 박층화 기술 이용) 113 W (Wg : 32 mm, pulse) 1Lg : 0.7 µm, 2Lg : 0.4 µm, 2Wg : 100 µm Power Density on SiC 11.2 W/mm (10 GHz, 45 V) Power on SiC 230 W (2 GHz, Wg : 48 mm) Lg : 0.3 µm, Wg : 100 µm

- AlGaN/GaN HFET의 출력밀도와 출력 - Drain 전압 vs.출력밀도 Gate 폭 vs. 출력치 102 100 10 W/mm GaN HFET on SiC ★ ○ ◆ ● ◎ ▲ ■ 10 ■ ■ 1 W/mm ■ GaN HFET on Sapphire 10 ▲ ■ ● ▲ ■ GaAs MESFET ▲ Power Density (W/mm) ▲ Total Output Power (W) ▲ 1 ◆ : 6H-SiC MESFET 1 ● : 4H SiC MESFET 0.1 ★ : SiC-SIT. ▲ : GaN HFET on Sap. o n s a p p h i r e ■ : GaN HFET on SiC. 4H-SiC MESFET ○ : Si-LDMOSFET o n S i C 6H-SiC MESFET ◎ : GaAs MESFET 0.01 1 2 3 5 7 10 20 30 50 70 100 0.1 . 1 1 1 1 Drain Voltage (V) Gate Width (mm)

- 각국의 질화물 전자소자의 개발동향 (I) - 　미국 : ・ONR(Office of Naval Research)과 AIR FORCE가 질화물 반도체 고주파 소자의 연구에 자금을 중점투입. ・Cornell Univ., UC Santa Babara, Univ. South Carolina, Univ. Illinois 등에서 연구개발이 진행 중. ・ RF-Nitro, Cree Research, Nitronex 등의 벤처기업이 상기 대학을 모체로 하여, 정부로부터 원조를 받아 질화물 반도체 고주파 소자의 산업화를 목표로 하고 있다. ・ DARPA & ONR의 레이더를 목표로 한 새로운 프로젝트가 발족. (60억엔/년) 　유럽 : ・EU로부터의 Fund에 의한 Brite-Euram 프로그램의 일환으로서, MIGHT 프로젝트 (Microwave Gallium Nitride Hetero-junction Transistor)가 진행 중. ・기업으로서는, Marconi, Thomas Swan, Thomson CSF, Infineon, 대학으로는, Nottingham대학(영국), Ghent대학(벨기에), 국립연구기관으로는 IMEC(벨기에)가 참가. Power Density on sapphire 6.6 W/mm @ 6 GHz (UCSB) Power Density on SiC 11.2 W/mm @ 10 GHz 2.32 W/mm @ 35 GHz (Univ. Cornell) Power on sapphire 7.6 W (Wg : 6 mm) Power on SiC 108 W (Wg : 24 mm) @ 2 GHz 38 W (Wg : 12 mm) @ 10 GHz 고주파 특성 fT : 110 GHz (HRL) fmax : 155 GHz (Univ. Illinois)

- 각국의 질화물 전자소자의 개발동향 (II) - 　◆ 일본 : ・질화물 반도체 소자 (LED, LD)는, 일본이 세계를 주도하고 있음. (Nichia화학-NC, 토요다고세이 -TG : 선행기술개발이 성공한 전형적인 例) ・전자소자로의 대처가 늦게 시작되었음. (지역 컨소시엄 : 1999 ~ 2001) (전자소자는, 광소자 보다 훨씬 높은 사양이 요구되고, 많은 개발요소에 아직 개발이 진행되지 못하고 있음) Power on sapphire 22.6 W (Wg :16 mm) 113 W (Wg :32 mm, pulse) (NEC) 고주파 특성 fT : 57 GHz fmax : 108 GHz (Oki Elec.) Power Density on sapphire 3 W/mm @ 2 GHz (NEC)

- 고출력 고주파 AlGaN/GaN HFET의 과제 - 1. 자기발열 열방산 촉진 SiC기판 기판 박층화 Flip-Chip 2. 전류 slump (or Collapse) Id의 주파수 의존 표면 passivation Deep Level　　 Id Pulse 동작 열발생 Imax DC 동작 Current Collapse RF 동작 고전압 동작 Vknee VB Vd

- 고출력 고주파 AlGaN/GaN HFET의 과제 - Current Collapse Vds 변수값에 의해 측정된 Id - Vds 특성 Gate bias stress 전과 후에 측정된 Id - Vds 특성 Drain Voltage Vds = 10 V Vgs : - 5 V to – 5 V (via 0 V : Sweeping) Id : 85%(10s) & 77%(60s) 감소 Lgd = 5 µm, Lg = 2 µm, Wg = 50 µm ; Vg = 0 V Lgd = 5 µm, Lg = 2 µm, Wg = 50 µm ; Vg = 0 V

V. AlGaN/GaN HFET의 새로운 시도

- New Approaches of AlGaN/GaN HFET - ▪ AlGaN/GaN HBT 내압 : 470 V H. Xing et al. (IWN 2002, Achen Germany, July. 2002) Selective re-growth of emitter, dielectric passivation Common emitter current gain : 5 ~ 8 ▪ Si 기판상의 AlGaN/GaN HFET fT : 28 GHz, fmax : 50 GHz (Lg = 0.3 mm) Imax : 700 mA/mm 1.8 W/mm @ 4 GHz

I. 결 론

“ Should not be delayed ” - Summary - ▪ Wide band-gap 반도체의 특성 및 High Frequency 소자의 개발현황 검토 ▪ 결정성장 및 프로세스 분야에서의 Breakthrough Ex.) Si, GaAs 소자의 성능을 능가하는 결정성장 및 소자제조공정이 발표. - Wide band-gap 반도체의 탁월성 입증- ▪ 해결해야 할 문제 다수 - 연구개발에 박차가 필요 : 소자용 W/F 기술의 중요성 (Bulk 및 Epitaxial Growth) ▪ High Power High Frequency & S/W Devices : Key Technology “ Should not be delayed ”