3.1 고온 전기적 특성

그림 2는 상온부터 400 ℃까지 측정한 TiN 게이트 Al-rich AlGaN HEMT의 전달 특성을 (a) 선형 스케일, (b) 로그 스케일 및 (c) 게이트 오버드라이브 전압(Gate-overdrive voltage, V_GS−V_TH)에 따라 나타낸다. 제작된 소자는 음의 문턱전압을 갖는 공핍형(Depletion-mode, D-mode) 동작을 나타냈다. 온도가 증가함에 따라 온 상태(On-state)와 off-state의 드레인 전류가 모두 증가하였다. 특히 그림 2(b)의 로그 스케일 전달 특성에서는 온도 상승에 따라 문턱전압이 음의 방향으로 이동하고 off-state 전류 증가가 관찰되었다. Off-state 전류 증가로 인하여 on/off ratio는 점차 감소하였다. 이는 온도 상승에 따라 소자의 누설전류 성분이 증가한 결과와 관련될 수 있다. 이러한 off-state 전류 증가에도 불구하고 400 ℃에서도 게이트 전압에 따른 드레인 전류 변조 특성이 유지되어, 고온에서도 게이트 제어 동작이 가능함을 확인하였다. 그림 2(c)는 온도별 문턱전압의 차이를 보정하기 위해 전달 특성을 게이트 오버드라이브 전압에 따라 비교한 결과이다. 동일한 게이트 오버드라이브 전압에서도 드레인 전류는 온도가 증가함에 따라 증가하였으며, 특히 상온에서 100 ℃까지 뚜렷한 증가가 나타났고 이후의 온도에서도 추가로 증가하는 경향이 유지되었다. 이러한 결과는 온도 상승에 따른 드레인 전류 증가가 문턱전압의 음의 이동만으로 설명되기 어려우며, 추가적인 온도 의존적 요인이 함께 기여함을 시사한다.

그림 2 $V_{DS}$ = 10 V에서 측정한 온도에 따른 전달 특성: (a) 선형 스케일, (b) 로그 스케일 및 (c) 게이트 오버드라이브 전압 ($V_{GS}$−$V_{TH}$)에 따른 선형 스케일

Fig. 2 Transfer characteristics measured at different temperatures at $V_{DS}$ = 10 V: (a) linear scale, (b) logarithmic scale, and (c) linear scale as a function of gate-overdrive voltage ($V_{GS}$−$V_{TH}$)

그림 3 온도에 따른 출력 특성: (a) 상온, (b) 200 °C 및 (c) 400 °C

Fig. 3 Output I–V characteristics at different temperatures: (a) room temperature, (b) 200 ℃, and (c) 400 ℃

그림 3은 동일한 소자에서 V_GS = −4 V부터 1 V까지 1 V 간격으로 인가하여 측정한 온도에 따른 출력 특성을 나타낸다. 낮은 드레인 전압 영역에서 드레인 전류가 비선형적으로 증가하는 현상은 Al-rich AlGaN의 높은 Al 조성으로 인한 비이상적인 오믹 접촉에 기인한다 ^[9]. 일반적인 AlGaN/GaN HEMT에서는 온도가 증가함에 따라 포논 산란(Phonon scattering)이 증가하고 채널 이동도가 감소하여 드레인 전류가 감소하는 경향을 보인다 ^[14]. 그러나 본 소자에서는 온도가 증가할수록 포화 드레인 전류가 증가하였으며, 이는 그림 2(c)의 게이트 오버드라이브 기준 전달 특성에서 관찰된 온도 의존성과도 일관된 경향을 보였다. 이러한 비이상적인 오믹 접촉에서는 온도가 증가함에 따라 금속-반도체 계면에서 열적으로 활성화된 캐리어 수송이 촉진되어 접촉저항이 감소된다 ^{[10], [15], [16]}. 또한 SiN_x/AlGaN 계면의 트랩은 전하 포획 및 방출에 관여하며, 온도에 따른 트랩 거동의 변화는 소스-게이트와 게이트-드레인 사이 액세스 영역의 표면 전하 상태와 전도 특성에 영향을 줄 수 있다 ^{[17], [18]}. 이에 따라 해당 영역의 공핍 정도와 액세스 저항이 변화하게 된다. 특히 소스 측 접촉저항 및 소스-게이트 액세스 저항이 감소할 경우 소스 측 전압 강하가 감소하여 채널에 실제 인가되는 내부 게이트-소스 전압(V_GS,int)이 증가하고, 이는 포화 드레인 전류를 증가시키는 방향으로 작용할 수 있다. 즉, 외부에서 동일한 게이트 전압을 인가하더라도 소스 측 기생 저항에서 발생하는 전압 강하의 크기에 따라 V_GS,int 조건은 달라질 수 있다. 이러한 차이는 온도 증가에 따른 출력 특성의 변화를 해석할 때 채널 자체의 이동도 변화뿐만 아니라 접촉 및 액세스 영역의 저항 변화도 함께 고려할 필요가 있음을 보여준다. 따라서 본 소자에서 관찰된 고온에서의 포화 드레인 전류 증가는 이러한 소스 측 기생 저항의 온도 의존적 변화가 포논 산란 증가에 따른 채널 이동도 감소 효과를 일부 상쇄한 결과로 사료된다.

그림 4 온도에 따른 (a) 문턱전압, (b) on/off ratio 및 (c) 동일한 게이트 오버드 라이브 조건에서 추출한 정규화된 온저항 ($R_{ON}$/$R_{ON,RT}$) 특성

Fig. 4 Temperature dependence of (a) threshold voltage, (b) on/off ratio, and (c) normalized on-resistance ($R_{ON}$/$R_{ON,RT}$) extracted at a constant gate-overdrive condition

그림 4는 전달 및 출력 특성에서 추출한 문턱전압, on/off ratio 및 온저항의 온도 의존성을 나타낸다. 문턱전압은 상온에서 약 −2.9 V를 나타냈으며, 이후 온도가 증가함에 따라 음의 방향으로 이동하여 400 ℃에서 약 −3.7 V를 나타냈다. 이러한 문턱전압의 음의 이동은 TiN Schottky 게이트 하부의 정전기적 상태가 온도에 따라 변화한 것과 관련될 수 있다. 온도 상승에 따라 AlGaN 장벽 내부 또는 게이트/AlGaN 계면 부근의 트랩 준위가 열적으로 활성화되면 전자의 포획 및 방출과 전하 재분포가 발생할 수 있다. 이에 따라 게이트 하부의 채널 전위가 변화하고, 채널을 공핍시키기 위해 더 음의 게이트 전압이 필요해지면서 문턱전압이 음의 방향으로 이동하게 된다 ^{[19], [20]}. On/off ratio는 온도 상승에 따른 off-state 전류 증가로 인해 감소하였으나, 400 ℃의 고온에서도 10⁴ 이상을 유지하였다. 온도에 따른 온저항의 상대적 변화를 평가하기 위해, 각 온도에서 추출한 문턱전압을 반영하여 동일한 게이트 오버드라이브 조건에서 산출한 R_ON을 상온에서의 온저항(R_ON,RT)으로 정규화한 결과(R_ON/R_ON,RT)를 그림 4(c)에 나타내었다. 상온, 200 ℃ 및 400 ℃에서 R_ON/R_ON,RT는 각각 1.00, 1.01 및 1.10으로 나타나, 온도가 증가하더라도 비교적 작은 변화를 보였다. 이는 동일한 V_GS 조건에서 관찰된 온저항 감소에는 온도 상승에 따른 문턱전압의 음의 방향 이동이 상당 부분 영향을 미쳤음을 나타낸다. 한편, 문턱전압의 영향을 보정한 동일한 게이트 오버드라이브 조건에서 고온에서도 온저항의 증가가 크지 않은 것은 포논 산란 증가에 따른 채널 이동도 감소와 함께, 고온에서의 접촉저항 및 소스-게이트와 게이트-드레인 사이 액세스 영역의 저항 감소 효과가 상보적으로 작용한 결과로 판단된다.

3.2 항복 특성 및 전계 분포 분석

항복 특성 평가는 전력 소자 분석기(Power Device Analyzer, B1506A, Keysight Technologies)를 사용하여 상온에서 수행하였으며, field plate 적용 유무와 L_GD에 따른 특성을 비교하였다. 항복 특성 측정에서는 게이트 전압을 문턱전압보다 충분히 낮은 V_GS = −10 V로 인가한 상태에서 드레인 전압을 증가시키며 측정하였다. 항복전압은 드레인 전류가 10 μA/mm에 도달하는 지점을 기준으로 정의하였다.

그림 5는 L_GD와 L_FP에 따른 항복전압의 변화를 나타낸다. L_GD가 증가함에 따라 항복전압이 증가하는 경향이 확인되었으며, 이는 게이트와 드레인 사이에 인가된 전압이 더 긴 영역에 걸쳐 분포하면서 게이트의 드레인 측 끝단에 형성되는 전계 집중이 완화되기 때문으로 판단된다. 또한 동일한 L_GD에서는 field plate가 적용된 소자가 field plate가 없는 소자보다 높은 항복전압을 나타냈다. 측정된 범위에서는 L_FP가 증가할수록 항복전압이 향상되는 경향을 보였다. 특히, L_GD = 5 μm와 L_FP = 2 μm인 소자에서 약 1000 V의 항복전압을 나타냈다. 이는 동일한 L_GD를 갖는 기존 AlGaN/GaN HEMT에서 보고된 약 290 V 수준보다 현저히 높은 값이다 ^[21]. Al-rich AlGaN은 높은 Al 조성에 기인한 우수한 고전계 내성을 바탕으로, 짧은 드리프트 영역에서도 높은 항복 전압을 확보할 수 있다. 비교적 짧은 5 μm의 L_GD에서 kV급 항복전압을 달성한 결과는 Al-rich AlGaN 이종접합의 높은 임계전계와 field plate에 의한 전계 완화가 항복전압 향상에 함께 기여했음을 시사한다. 또한 L_GD = 20 μm와 L_FP = 2 μm인 소자에서는 최대 1800 V의 항복전압을 얻었다 (그림 6). 그림 6에서 측정 시 누설전류의 일시적인 요동이 관찰되었으며, 이는 off-state에서 버퍼층 및 표면의 트랩에 의한 전하 포획 및 방출과 국부적인 누설전류 경로의 변화와 함께 측정계의 기생 성분과 주변 절연 경로의 영향도 일부 포함되었을 가능성이 있다.

그림 5 $L_{GD}$ 및 $L_{FP}$ 에 따른 항복전압

Fig. 5 Breakdown voltage as a function of $L_{GD}$ and $L_{FP}$

그림 6 $L_{GD}$ = 20 μm 및 $L_{FP}$ = 2 μm인 소자의 오프 상태 항복 특성

Fig. 6 Off-state breakdown characteristics of the fabricated device with $L_{GD}$ = 20 μm and $L_{FP}$ = 2 μm

한편, 그림 5에서 L_GD 증가에 따른 항복전압의 증가율은 점차 감소하는 경향을 나타냈다. 본 소자는 source field plate가 적용된 수평형 구조이므로 드레인 전압에 의한 전계가 전체 L_GD 영역에 균일하게 분포하지 않으며, 게이트 및 field plate 끝단에서 국부적인 전계 집중이 발생한다. 따라서 BV/L_GD를 소자의 균일한 평균 전계 또는 재료의 임계전계로 직접 해석하기에는 한계가 있다. L_GD가 증가함에 따라 추가된 드리프트 영역의 전계 이용률이 감소할 수 있으므로, 항복전압의 증가율 역시 점차 감소한 것으로 판단된다. 또한 본 측정 범위에서는 L_GD = 20 μm까지 항복전압이 증가하였으나, 측정된 최대 항복전압인 1800 V는 버퍼층의 항복 한계를 의미하기보다는 본 연구에서 평가한 소자 구조 및 측정 범위에서 얻어진 최댓값을 나타낸다. 항복전압의 포화 거동과 잠재적 상한을 명확히 규명하기 위해서는 더 긴 L_GD 및 최적화된 L_FP를 갖는 소자에 대한 추가적인 평가가 필요하다. 최근 UWBG AlGaN 트랜지스터에서 2 kV 이상의 항복전압과 4.8 MV/cm 이상의 항복 전계가 보고되었다 ^[22]. 이러한 선행 결과는 에피층과 전계 제어 구조의 추가적인 최적화를 통해 더 높은 항복전압을 구현할 수 있음을 시사한다.

그림 7 $L_{GD}$ = 10 μm인 소자에서 오프 상태 바이어스 조건에 따른 field plate 유 무별 시뮬레이션 전계 분포: (a) field plate가 없는 구조와 (b) $L_{FP}$ = 2 μ m인 구조의 2차원 전계 분포 및 (c) 2DEG 채널을 따라 수평 방향으로 추 출한 전계 분포

Fig. 7 Simulated electric-field distributions for the device with $L_{GD}$ = 10 μm under the off-state bias condition: two-dimensional distributions for the structures (a) without a field plate and (b) with $L_{FP}$ = 2 μm, and (c) lateral electric-field profiles extracted along the 2DEG channel

Field plate 적용에 따른 전계 분포 변화를 확인하기 위해, 제작된 소자 구조를 기반으로 2차원 TCAD 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에는 실제 소자와 동일한 AlGaN 장벽층 및 채널층의 조성과 두께를 적용하였다. TCAD 시뮬레이션에는 드리프트-확산 모델(Drift-diffusion model)을 기반으로 이동도, 재결합, 분극 및 Selberherr 충돌 이온화 모델(Selberherr impact ionization model)을 적용하였다. 기본 재료 파라미터에는 ATLAS 재료 데이터베이스를 사용하였으며, 충돌 이온화 계수(Impact ionization coefficient)는 Al 조성에 따른 문헌값을 참고하였다 ^{[23], [24]}. 계면 고정 전하(Interface fixed charge)와 분극 스케일링 계수(Polarization scaling factor)는 소자 내 전하 분포를 반영하기 위한 보정 파라미터로 사용하였다.

그림 7(a)와 (b)는 L_GD = 10 μm인 소자를 V_GS = −10 V의 off-state로 유지한 상태에서 계산한 2차원 전계 분포를 나타낸다. 동일한 드레인 바이어스 조건에서 각각 field plate가 없는 구조와 L_FP = 2 μm인 구조의 전계 분포를 비교하였다. Field plate가 없는 구조에서는 게이트의 드레인 측 끝단에 높은 전계가 국부적으로 집중되었다. 반면 field plate가 적용된 구조에서는 게이트 끝단의 전계 집중이 완화되고, 높은 전계 영역이 field plate 끝단 방향으로 확장되었다. 그림 7(c)는 2DEG 채널을 따라 수평 방향으로 추출한 전계 분포를 비교한 결과이다. Field plate가 없는 구조에서는 게이트의 드레인 측 끝단에서 높은 전계 피크가 나타났다. 반면 field plate가 있는 구조에서는 게이트 끝단의 전계 피크가 크게 감소하고, field plate 끝단에서 새로운 전계 피크가 형성됨을 확인하였다. 이러한 전계 집중 완화와 재분배가 field plate 적용 소자에서 측정된 항복전압 향상에 기여한 것으로 판단된다.