<재단 제28기 해외유학장학생 Massachusetts Institute of Technology. 전자공학 박사, 현 Massachusetts Institute
of Technology 연구원>

최근 질화 갈륨 (gallium nitride, GaN)을 기반으로 하는 고속 전자 이동도 트랜지스터 (high electron mobility transistor, HEMT)는RF 무선 통신용 출력단 증폭기나 고전압 개폐기 등의 응용에 적합한 전자 소자로 각광 받고 있다. GaN의 큰 띠간격(band gap)으로 인해 GaN를 기반으로 하는 전자 소자는 기존의 다른 물질을 기반으로 하는 소자들에 비해 높은 항복 전압을 갖게 되고, 질화물의 큰 극성효과와 압전효과로 인해 AlGaN/GaN 이종접합 구조에서는 높은 전하 밀도를 얻을 수 있는데 이는 매우 높은 전류 밀도를 구현 가능하게 한다. 이러한 고전압 고전류 특성으로 인해 GaN HEMT는 고출력 소자로 매우 적합한 기술로 주목 받고 있다. 그리고 상대적으로 높은 전자 이동도로 인해 고주파 동작이 가능한 점 때문에 최근에는 초고주파 출력단 증폭기로서의 역할 또한 기대되고 있다.

이러한 장점에도 불구하고 현재 이 기술의 상용화에 있어서 가장 큰 걸림돌 중의 하나는 소자 안정성 및 장기 신뢰성이다. 이는 장시간 사용에 따른 특성 변화로 나타나는데 drain 전류 및 출력의 감소와 gate 전류의 증가 등의 성능 열화 현상이 광범위적으로 보고되어져 왔다. 위성 통신 등 이 기술의 여러 응용에는 높은 안정성과 긴 소자 수명이 요구되기 때문에 이는 이 기술이 넘어야 할 큰 장벽이다. 하지만 이 소자들을 사용하게 될 환경은 고전압, 고출력 및 고온의 조건이기 때문에 높은 안정성 및 긴 소자 수명을 구현하는 것에는 큰 어려움이 있다. 소자 안정성 및 신뢰성 개선을 위해 가장 중요하고 효율적인 접근법 중의 하나는 소자의 열화 현상을 물리적으로 이해하는 것인데, 이 연구에서는 이를 위해 세부적인 소자 특성 분석 및 여러 조건하에서의 전기적 스트레스 시험을 통해 근본적인 소자 열화 과정을 고찰하고자 한다.
이를 위해 여러가지 바이어스 조건과 온도 등의 외부 조건하에서의 전기적 스트레스 실험이 시행되었는데 이 실험을 위해 소자 특성을 변화시키지 않으면서 각종 소자 특성 변수를 추출할 수 있는 여러가지 측정 방법이 개발되었고 컴퓨터 자동화를 통해 스트레스 실험에 결합되었다.

이들 스트레스 실험 결과를 통해 보통의 바이어스 조건하에서 최대 drain 전류가 감소하고 drain 저항이 증가하며 역전압 gate 누설 전류가 증가하는 현상 등이 관측되었다. 여러 실험 변수의 조작을 통해서 우리는 이 종류의 열화 현상은 일차적으로 높은 전기장에 의해 발생하고 채널 전류와는 상관관계가 약함을 보였는데 이는 기존의 갈륨 비소 (GaAs)나 인듐 인화물 (InP) 기반의 소자에서 나타나는 고 에너지 전자 (hot electron)에 의한 열화 현상과는 매우 다른 특성이다.
이런 특징 중 가장 주목할만한 부분은 소자 열화 현상이 임계 전압 이상에서 나타난다는 점인데 임계 전압 이하의 전기적 스트레스는 일차적으로 소자에 물리적인 변화를 가져오지 않지만 임계 전압 이상의 전압이 가해지면 광범위한 에너지 준위를 갖는 전기적 트랩 (trap)이 AlGaN 장벽층과 표면에 생성되고 이로 인해 채널에 반송자 밀도가 낮아지고 gate 누설 전류가 증가하게 된다. 본 논문에서는 특히 이 trap의 여러가지 특성을 연구하기 위한 몇 가지 새로운 측정 방법을 제시한다. 이를 통해 trap의 detrapping 시간 상수, 에너지 준위, 물리적 위치 등이 연구되었다. 또한 역학적 스트레스를 통한 전기적 안정성에의 역할을 알아보기 위해 특별히 고안된 굽힘 실험 장치를 통해 역학적 장력 strain이 전기적 안정성을 악화시킨다는 결과를 얻어내었다.

이 실험에서 소자에 장력 strain이 가해졌을 경우 임계 전압이 작아지고, 같은 전기적 스트레스 조건 하에서 drain 전류와 gate 전류 모두에 더 큰 열화 현상이 관측되었다. 이들 실험 결과를 통해 이 논문에서는 기존에 알려졌던 바와 같이 고 에너지 전자에 의한 열화 현상이 GaN HEMT 소자의 열화 현상의 일차적인 원인이 아니며 역압전효과에 의한 결정 결함 (crystallographic defect) 생성이 GaN HEMT소자 열화의 주원인이라는 가설을 제시한다. GaN HEMT에서 AlGaN 장벽층은 GaN층 위에 pseudomorphic하게 성장되는데 이는 AlGaN 층에 큰 역학적 스트레스를 유발한다. 소자 동작중 gate와 drain 사이에 높은 전압이 가해지게 되면drain쪽 gate 모서리에서 큰 수직 방향 전기장이 생성되는데, AlGaN는 압전효과가 큰 물질이기 때문에 이 전기장은 역압전효과로 인해 AlGaN 층에 높은 역학적 스트레스가 발생시키게 된다.

AlGaN층의 스트레스의 증가는 이 영역에 탄성 에너지를 증가시키는데 만약AlGaN 층의 탄성 에너지가 임계치를 넘게 될 경우 micro crack 이나 misfit dislocation등의 생성이 에너지적으로 더 유리하게 되어 gate 모서리 부근에 여러 종류의 결정 결함이 생성된다. 이 결정 결함들은 전기적으로 trapping을 유발하여 채널의 반송자 농도를 낮추고 gate 에서 채널로의 누설 경로를 생성함으로서 gate 전류의 상승을 유발하게 된다. 또한 이로 인해 반송자 산란 현상이 증가하고 AlGaN층의 strain이 감소함으로서 채널의 반송자 농도를 감소하게 되는데 이는 drain 전류의 감소로 이어진다. 이 논문에서 우리는 이 가설을 이론적으로 검증하고 임계 전압에 대한 모형을 제시한다. 이 임계 전압 모형은 실험적으로 얻어진 여러가지 상관 관계를 잘 설명하고 실험치와 유사한 임계 전압 값을 예측함으로써 일차적인 모형으로서의 타당성을 검증한다. 이러한 결과를 바탕으로 GaN HEMT의 전기적 안정성 및 신뢰성을 높일 수 있는 몇가지 대안이 제시된다.