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- 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
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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
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I. 서 론
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- 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
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- 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)
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II. Wide band-gap 반도체의 재료특성
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- 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
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- 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 (2000) 1155
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- 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)
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III. Wide band-gap 반도체 소자의
응용분야
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- 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
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- Wide band-gap 반도체 소자의 응용분야 -
▪ 내환경용 소자 (고온동작, 고방사선 환경) ▪ 고출력/고주파용 소자 ▪ 고전력용 소자(고내압, 대전류) ▪ 저손실용 소자 ▪ 단파장용 광소자
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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)
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IV. 고주파 Power Device
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: 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
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- 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
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- 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)
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- 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)
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Strategies Unlimited (2000년)의
- GaN 전자소자의 시장예측 - Strategies Unlimited (2000년)의 GaN 전자소자시장의 예측
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- 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 -
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- 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
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- 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
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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
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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.
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- 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
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- 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)
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- 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 GHz (IWN 2002) fmax : 100 ~ 150 GHz (Lg : 0.05 ~ 0.2 mm) GHz (0.12mm) (IWN 2002)
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- 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
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- 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)
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- 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 6 GHz (UCSB) Power Density on SiC GHz GHz (Univ. Cornell) Power on sapphire 7.6 W (Wg : 6 mm) Power on SiC 108 W (Wg : 24 2 GHz 38 W (Wg : GHz 고주파 특성 fT : 110 GHz (HRL) fmax : 155 GHz (Univ. Illinois)
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- 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 2 GHz (NEC)
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- 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
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- 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
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V. AlGaN/GaN HFET의 새로운 시도
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- 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 GHz
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I. 결 론
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“ 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 ”
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