A Study on Gate Insulator of AlGaN/GaN MIS-HEMTs for High Power Devices

Abstract

본 논문에서는 고전력, 고전압 회로에 응용되는 AlGaN/GaN MIS-HEMT의 gate insulator와 그 interface 특성 개선에 관한 연구를 진행하였다. GaN는 bandgap이 넓은 물질이기 때문에 높은 breakdown voltage를 갖는다. 또한 electron mobility, saturation velocity, thermal conductivity 등의 특성도 우수하여 차세대 고출력, 고전압 소자의 유망한 후보이다. 그러나 화합물 반도체의 공통적인 특징과 같이 적합한 절연막 특성을 만들기가 어려워서 그에 관한 연구는 세계적으로도 계속 되고 있다. Normally-off 동작에 적합한 절연막의 특성을 얻기 위해서 CVD 박막 증착 공정에 대한 연구를 진행하였다. 또한 기존 ICP-CVD system을 이용하여 PEALD 증착을 시도하였고 이를 통해 GaN과 SiNx의 interface 특성을 더욱 개선시킬 수 있었다. 그리고 증착 후 열처리를 통해 그 특성을 더욱 개선 하였고, 이에 따른 효과로써 normally-off AlGaN/GaN MIS-HEMT의 forward gate leakage current와 I-V hysteresis를 억제할 수 있었다. 본 연구 결과를 통해 AlGaN/GaN MIS-HEMT의 gate 특성 향상을 얻었고, 이는 보다 신뢰성 있는 고출력 고전압 소자로 활용될 수 있을 것이다.

In this thesis, gate insulator and the interface of AlGaN/GaN MIS-HEMTs which is applied to the high-power and high-voltage application were studied. GaN is a wide bandgap material since has high breakdown voltage. Other excellent characteristics such as the electron mobility, saturation velocity, and thermal conductivity make it a promising candidate for the next-generation high-power devices. However, same as typical compound semiconductor, it is difficult to make high quality dielectric. Therefore, study of the appropriate gate insulator for GaN interface is going on in the world. Thin film deposition process of inductively-coupled plasma chemical vapor deposition (ICP-CVD) was studied in order to get the appropriate insulator properties for normally-off operation. In addition, plasma enhanced atomic layer deposition (PEALD) process using conventional ICP-CVD system was attempted. Through this method, interface properties between GaN and SiNx could be enhanced, and its characteristics were further improved by post-deposition annealing. As these improvements, current-voltage (I-V) hysteresis and forward gate leakage current of normally-off AlGaN/GaN MIS-HEMTs were reduced. Through the research results in the thesis, the improvements of the electrical characteristics of gate insulator of AlGaN/GaN MIS-HEMTs were achieved. It would be used to more reliable devices for high-power and high-voltage applications.