AlGaN/GaN Power Devices Employing RF-Sputtered Gate Insulator

Abstract

본 논문에서는 AlGaN/GaN 전력소자의 누설전류와 항복전압 특성의 개선을 위한 방법으로 RF-스퍼터링 게이트 절연막을 제안하였다. 또한, RF-스퍼터링에 의해 증착된 박막의 재료적, 전기적 특성과 함께 절연막/GaN의 계면 특성을 분석하였다. 그리고, 소자의 전기적 특성을 향상시키기 위한 새로운 구조를 제안하고, 제작과 분석을 통해 검증하였다. 최근, AlGaN/GaN HEMTs는 높은 임계전계와 높은 열전도도, 낮은 진성캐리어 농도 특성과 함께 활발하게 연구가 진행되고 있다. 또한, AlGaN/GaN 이종접합은 높은 전자 이동도와 농도를 갖는 2DEG 채널층을 형성하여 Si 소자 대비 매우 낮은 온-저항을 보인다. 따라서, AlGaN/GaN HEMTs는 차세대 전력반도체로 적합하다고 할 수 있다. 하지만, AlGaN/GaN 이종접합에서의 전자트래핑과 쇼트키/GaN 계면에서의 전자 터널링은 표면 누설전류를 유발하여 여전히 해결되어야 될 문제점으로 남아있다. 누설전류의 억제와 항복전압의 증가는 오프 상태의 전력손실과 높은 전력변환 효율을 위해 매우 중요하다. MOS 구조는 게이트 절연막이 효과적으로 표면 누설전류를 억제하고, AlGaN/GaN HEMTs의 게이트-소스, 게이트-드레인의 기생 다이오드의 동작을 억제하는데 유용하다. RF-스퍼터링 HfO2를 AlGaN/GaN MOS-HEMTs의 게이트 절연막으로의 적용을 제안하였으며, 압력과 스퍼터링 전력 등의 스퍼터링 조건을 최적화함으로써 우수한 절연특성을 확보하였다. 또한, 다양한 스퍼터링 조건에서 증착된 HfO2 게이트 절연막의 재료적, 전기적 특성의 분석을 위해, XRD, XPS, AES 측정을 하였다. 그리고, 후처리 열공정의 효과도 함께 분석하였다. p-type Si 기판 위에 증착된 15 nm 두께의 HfO2는 900 oC에서 2시간의 어닐링 이후 항복전압은 42 V에서 78 V로 증가함을 확인하였다. RF-스퍼터링에 의한 HfO2를 적용한 AlGaN/GaN MOS-HEMTs-on-Si은 1524 V의 높은 항복전압과 함께 VDS= 100 V, VGS= –10 V 기준에서 67 pA/mm의 낮은 드레인 누설전류, 2.37×1010의 높은 온/오프 전류비를 보였다. 반면에, 게이트 절연막이 없는 AlGaN/GaN HEMTs의 경우 470 V의 항복전압과 192 μA/mm의 드레인 누설전류, 7.61×103의 온/오프 전류비를 보였다. HfO2 게이트 절연막을 적용한 AlGaN/GaN MOS-HEMTs 소자에서의 항복전압 증가 매커니즘을 분석하기 위하여 다양한 전기적 특성을 분석하였다. 항복전압 증가의 원인을 표면 패시베이션 효과와 게이트 누설전류의 차단 특성의 두 가지 효과로 나누어서 분석하였다. 게이트-드레인 MOS 다이오드에서 순방향과 역방향 차단 특성 모두 크게 향상되었고, 펄스 I-V와 C-V 특성을 통해 평가된 전자 트래핑 현상 또한 효과적으로 억제되었음을 확인하였다. 마지막으로, 고주파 C-V 특성을 사용하는 Terman 방법으로 계면전하밀도 (Dit)를 추출하였다. 전도대로부터 0.1 eV 아래에서 6×1012 cm–2•eV–1 의 양호한 수준의 계면전하밀도 값을 확보하였다. 골드-프리 공정의 AlGaN/GaN 소자와 CMOS 공정의 호환성을 위해서 매우 유망한 기술이다. 골드-프리 공정은 CMOS 공정과 함께 공정 단가를 획기적으로 줄일 수 있으므로 미래 전력반도체 산업에서 더욱 중요성이 부각될 것이다. 본 논문에서는 AlGaN/GaN MOS-HEMTs-on-Si에서 골드 기반의 전극을 대체하기 위한 목적으로 TaN을 제안하였다. 재료적, 전기적 특성의 분석을 위해서 후처리 열공정 전과 후의 XRD, SEM, 4 point probe를 통한 분석을 하였다. 또한, 낮은 전극 저항과, 하부층인 AlGaN/GaN 이종접합구조로의 스퍼터링 데미지를 줄이기 위해서 스퍼터링 파워와 압력 등을 최적화하였다. TaN 게이트를 Ni/Au 대신 적용한 AlGaN/GaN MOS-HEMTs는 10 μm의 게이트-드레인 거리에서 4.56×1010의 높은 온/오프 전류비와 1460 V의 항복전압을 보였으며, 게이트와 함께 Ti/Al/TaN을 소스와 드레인을 적용한 소자는 2.0×1010 의 온/오프 전류비를 보였다. 다음으로는 별도의 GaN 성장기술과 사진공정 없이 AlGaN/GaN MOS-HMETs-on-Si의 온-저항(Ron,sp)을 감소시키기 위한 방법으로 게이트-소스 간격을 제거된 연장된 게이트 구조를 제안하였다. 이 구조는 TaN 게이트의 일부분이 소스 상단에 겹친 구조로 HfO2 게이트 절연막으로 절연된다. 따라서 드레인-소스 간격의 감소와 함께 온-저항이 2.91 mΩ•cm2에서 2.28 mΩ•cm2로 크게 감소하였다. 게이트 절연막의 높은 유전상수와 AlGaN/GaN MOS-HEMTs의 문턱전압의 절대값 이상의 절연막 항복전압은 안정적인 온/오프 동작을 위해서 필수적인 요소이다. 따라서, 연장된 TaN 게이트 구조를 통해 4.97×1010의 높은 온/오프 전류비와 872 MW•cm−2의 성능지수, 1410 V의 높은 항복전압을 보였다. 마지막으로, 별도의 마감구조의 적용 없이 높은 항복전압의 구현을 위한 방법으로 RF-스퍼터링 방식을 통한 Ga2O3과 Al2O3 박막의 적용을 제안하였다. GaN 표면으로의 스퍼터링 데미지와 AlGaN/GaN HEMTs에서의 표면 누설전류를 억제하기 위하여 스퍼터링 조건을 최적화하였다. 비정질 Ga2O3 내부의 깊은 에너지를 갖는 트랩으로의 전자의 트래핑을 활용함으로써 게이트 하단의 공핍층을 효과적으로 확장시킴에 따라 항복전압이 크게 증가하였다. 깊은 에너지를 갖는 트랩은 상대적으로 긴 전자의 방출 시간을 보이므로, 얕은 에너지 준위로 인한 표면 누설전류가 효과적으로 억제될 수 있다. 제작된 AlGaN/GaN HEMTs-on-SiC에서 Ga2O3 패시배이션을 50, 100, 150, 그리고 200 W에서 진행하였을 경우 항복전압은 각각 1430, 890, 820, 그리고 460 V로 측정되었다. 반면에 패시베이션을 하지 않은 기본 소자의 경우 520 V로 상대적으로 낮은 항복전압이 측정되었다. 그리고 50 W에서 Ga2O3 패시베이션을 진행한 AlGaN/GaN HEMTs 소자는 40 μm의 게이트-드레인 간격에서 2.7 kV의 높은 항복전압이 측정되었다. 또한, 더욱 효과적인 누설전류의 억제와 문턱전압의 양의 방향으로의 이동을 위한 구조로서, RF-스퍼터링에 의한 Al2O3/Ga2O3 다층구조를 적용한 AlGaN/GaN HEMTs를 제안하였다. Al2O3/Ga2O3 다층구조를 통해서 AlGaN/GaN HEMTs의 항복전압이 380 V에서 1104 V로 증가하였으며 드레인 누설전류는 1.8 μA/mm에서 33 nA/mm로 감소하였다. 또한 문턱전압은 –2 V에서 –1.4 V로 증가하였고 VGS= –10 V를 100초동안 DC 스트레스 이후 문턱전압이 0.12 V로 이동함을 것을 확인하였다.

This dissertation is intended as an investigation of AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductors-high-electron-mobility transistors (MOS-HEMTs) employing RF-sputtered gate insulator to suppress leakage current and obtain high breakdown voltage. Also, material properties of RF-sputtered films and interface characteristics between GaN and gate insulator were studied. In addition, various device structures based on the MOS-HEMTs were proposed to improve devices performance and their electrical properties were verified. AlGaN/GaN HEMTs have received a considerable amount of attention for high-power applications due to their wide bandgap properties, such as a high critical electric field, a high thermal conductivity, and a low intrinsic carrier concentration. In addition, an AlGaN/GaN heterostructure offers high-density and high-mobility two-dimensional electron gas (2DEG) by piezoelectric polarization between AlGaN barrier and GaN buffer layer, meaning that AlGaN/GaN HEMTs exhibit a high breakdown voltage and a low on-resistance. However, the surface leakage current by an electron trapping and trap-assisted tunneling at the Schottky/GaN interface are critical issues in the AlGaN/GaN heterostructure devices. Suppression of the leakage current and high breakdown voltage are indubitably important to achieve a low off-state power loss and high-conversion efficiency without device failure. The MOS is suitable structure for the high-voltage AlGaN/GaN HEMTs because the gate insulator suppresses the leakage current and effectively prevent the parasitic diodes operation from gate-source and gate-drain SBDs. The RF-sputtered HfO2 was studied for uses in the gate insulator of the AlGaN/GaN MOS-HEMTs and sputtering conditions such as sputtering power and working pressure were optimized. The electrical and materials properties of HfO2 at the various sputtering conditions were verified by X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and Auger electron spectroscopy (AES). Also, the effects of post-deposition annealing (PDA) on the HfO2 were investigated. The high breakdown voltage in the test pattern including 15 nm-thick HfO2 on p-type Si substrate was increased from 42 to 78 V after PDA at 900 oC for 2 hours. The AlGaN/GaN MOS-HEMT-on-Si using RF-sputtered HfO2 gate insulator exhibited the high breakdown voltage of 1524 V, the low drain leakage current of 67 pA/mm at VDS= 100 V and VGS= –10 V, and high on/off current ratio of 2.37×1010 while the conventional HEMT had 470 V, 192 μA/mm, and 7.61×103, respectively. The improvement mechanism of breakdown voltage through HfO2 gate insulator was studied by measuring various electrical characteristics. This was done with the separated two-factors including passivation effects and blocking capability of HfO2 gate insulator. Both forward- and reverse-gate blocking characteristics of the AlGaN/GaN MOS-HEMTs using HfO2 gate insulator were evaluated. In addition, suppression of electron trapping due to surface passivation was verified by pulsed current-voltage (I-V) characteristics and capacitance-voltage (C-V) characteristics. Finally, interface traps density (Dit) was evaluated by termans method and high-frequency C-V characteristics so that Dit of 6×1012 cm–2•eV–1 at the energy level of 0.1 eV below conduction energy minimum. Au-free fabrication is promising technologies for the CMOS-compatible process of the AlGaN/GaN devices. Also, it has an advantage in terms of the fabrication cost and large-wafer process. TaN was proposed to replace the gold-based electrodes in the AlGaN/GaN MOS-HEMTs-on-Si. The material and electrical properties were verified after PDA by XRD, scanning electron microscopy (SEM), and 4-point probe. Also, the sputtering conditions such as sputtering power and working pressure were optimized to obtain the low-resistance electrode and suppress sputtering damage to HfO2 gate insulator. The TaN-gate AlGaN/GaN MOS-HEMTs with 15 nm-thick HfO2 gate insulator showed high on/off current ratio of 4.56×1010 and high breakdown voltage of 1460 V at gate-drain distance of 10 μm. Also, the fully Au-free devices using TaN-gate and Ti/Al/TaN-source/drain showed on/off current ratio of 2.0×109 without any considerable degradation. The extended-gate structure was proposed to reduce specific on-resistance (Ron,sp) without any additional GaN epitaxial growth and lithography techniques by removing the redundant gate-source space in the AlGaN/GaN MOS-HEMTs-on-Si. The extended TaN-gate overlapped source with 15 nm-thick HfO2 insulation. By using this structure, the Ron,sp was successfully reduced from 2.91 to 2.28 mΩ•cm2 in the device with 10 μm-long LGD. High-k characteristics and higher dielectric breakdown voltage of the HfO2 gate insulator than

VTH

facilitated the stable on/off switching. This device also exhibited high breakdown voltage of 1410 V, high on/off current ratio of 4.97×1010, and high figure-of-merit of 872 MW•cm−2. A new method to increase the breakdown voltage trough RF-sputtered Ga2O3 and Al2O3 films without any termination structure was proposed. The sputtering power considering sputtering damage to the GaN surface was optimized to suppress the leakage current. An electron injection into the unintentionally formed deep traps in the amorphous β-Ga2O3 films extended depletion region under the gate and increased the breakdown voltage. The deep traps have a relatively long emission time so that the surface leakage current, which is originated from the shallow traps, would be suppressed. The AlGaN/GaN HEMT-on-SiC with 20 μm-long LGD and Ga2O3 passivation sputtered at 50, 100, 150, and 200 W exhibited breakdown voltage of 1430, 890, 820, and 460 V, respectively while that of the unpassivated device was 520 V. Also, high breakdown voltage exceeding 2.7 kV at sputtering power of 50 W and 40 μm-long LGD was obtained. In addition, Al2O3/Ga2O3 multiple stacks by RF-sputtering were employed to reduce the leakage current and shift threshold voltage positively in the AlGaN/GaN HEMTs-on-Si. The breakdown voltage in the device using the stacks was increased from 380 to 1104 V and drain leakage current was decreased from 1.8 μA/mm to 33 nA/mm by the electrons accumulation in the stacks. The threshold voltage was shifted from –2 to –1.4 V and this was shifted to 0.12 V after DC stress at VGS= –10 V for 100 s.