W-band RF 고출력 AlGaN/GaN HEMTs on Si 기판의 fmax 향상에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 RF power application에서 주목을 받고 있는 AlGaN/GaN HEMTs를 W-band에 적용할 목적으로 current collapse 현상과 게이트 누설 전류 특성의 개선으로 인해 fmax 향상에 관한 연구를 진행하였다. GaN는 기본적으로 높은 electron mobility, saturation velocity, thermal conductivity의 특성을 가지며, 가장 큰 특징인 큰 bandgap은 breakdown voltage를 높이고, 결과적으로 기존의 Si이나 GaAs 기반의 transistor와 비교하여 power density를 향상시켜 module의 size를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 이러한 특징을 기반으로 Si과 GaAs를 대체 할 RF power 소자로의 연구가 진행되어 졌는데, 그 중에서 비교적 가격이 낮은 high-resistivity Si(111) 기판에 성장된 AlGaN/GaN HEMTs는 낮은 millimeter-wave 대역에서의 동작을 목표로 가능성을 보이고 있다. 이러한 sub-micrometer AlGaN/GaN HEMTs에서 특히 문제가 되는 current collapse 현상과 게이트 누설전류는 RF power 소자로서 반드시 개선되어야 할 부분들이다. 본 연구에서는 RF 소자의 특성 저하를 고려하여 일반적으로 사용하는 T-gate 구조 대신 current collapse 현상과 게이트 누설 전류를 완화시킬 수 있는 field plate 구조를 제안하였고, 기생 성분의 증가를 최대한 줄일 수 있도록 field plate의 길이를 최적화 하여 bias의 폭을 넓힐 수 있었다. 또한 최적화 된 게이트 구조에서 더 큰 fmax 향상을 위해 중요한 성분인 게이트 저항의 감소를 목표로 하여 완료된 게이트 구조위에 이중 게이트를 형성하는 공정을 시도하였고, 게이트 저항의 큰 감소로 fmax가 더욱 증가하는 결과를 얻을 수 있었다. 본 연구 결과를 통해 fmax 특성의 향상을 얻었고, 이는 Si-기판 위에 성장된 GaN HEMTs가 W-band 대역에서의 RF power 소자로서 활용될 수 있음을 보였다.