고성능 GaN PIN Diode 소자의 제작 및 특성 분석

Abstract

본 연구를 통해서, KAIST 내 화합물반도체 공정 장비를 이용하여 고성능 GaN PIN diode 소자가 제안되고 구현되었다. 최근 들어 다양한 분야의 무선통신 응용을 위한 고성능 전력 소자에 대한 관심이 증가하고 있다. 질화갈륨 기반 물질은 높은 파괴전압, 높은 포화속도, 고온 동작 특성과 같은 물질 자체의 특성으로 인해 고전력 마이크로파 응용에 적합하다. 다양한 질화갈륨 기반 소자 중에서 질화갈륨 PIN 다이오드는 낮은 삽입손실, 높은 차단특성, 고전력 특성을 낼 것으로 기대된다. 질화갈륨 기반 소자의 성능은 전기적 접합 저항에 의해 좌우되며, 특히 p-ohmic 저항의 영향을 많이 받는다. 이번 연구를 통해서 p-ohmic 저항을 낮추기 위해 서로 다른 p-capping 층을 갖는 세 가지 질화갈륨 PIN 에피구조가 설계되었다. 제안된 질화갈륨 PIN 다이오드의 성능이 이론적인으로 분석되고 및 SILVACO 시뮬레이션이 수행되었다. 다음으로 질화갈륨 PIN 다이오드 소자의 성능을 향상시키기 위해 건식 식각 및 저항성 접합과 같은 주요 공정 조건이 최적화되었다. 최적화된 mesa 식각 공정은 염소 기체 (15 sccm)기반 중성빔 식각 기술을 통해 이루어졌으며, RF 파워는 600 eV, 식각 속도는 400 $\Aring /min$, 식각 기울기는 75° 이었다. AFM 분석을 통해 중성빔 식각 이후 질화갈륨 표면의 RMS roughness가 10 nm 정도로 매끄러운 것을 확인하였다. Ni/Au (200/800 $\Aring$) 금속을 이용한 p-contact은 RTA 공정 이전에는 비저항 특성을 나타내었으나, RTA 공정을 통해 저항성 특성을 나타내었다. 질소 분위기에서의 600℃ RTA 공정을 5분 수행하여 $1.3 \times 10^{-3} \Omega·cm^2$의 specific p-contact 저항값을 얻었다. 이와 동일한 RTA 공정 조건에서 n-ohmic contact 저항은 Ti/Al/Ni/Au (200/700/200/700 $\Aring$) 금속에서 $8 \times 10^{-5} \Omega·cm^2$의 specific p-contact 저항값을 얻었다. 이와 같이 최적화된 공정 조건을 사용하여 실제로 질화갈륨 PIN 다이오드 소자를 제작하고 측정하였다. 질화갈륨 소자의 DC 특성으로는 -280V의 파괴전압을 가졌으며 3.75V의 도통전압을 나타내었다. S-parameter 측정을 통해 RF 특성까지도 분석할 수 있다. 제작된 질화갈륨 PIN 다이오드 소자는 33.63 $\Omega$ 의 on-resistance 및 47.51 fF의 off-capacitance를 나타내었으며, 이를 통해 성능지수인 스위칭 차단주파수를 계산하면 99.61 GHz가 된다. 질화갈륨 PIN 다이오드에 series configuration을 사용하여 구성한 SPST 스위치 소자는 X-band의 중심주파수인 10 GHz에서 2.42 dB의 삽입손실 및 12.15 dB의 차단특성을 나타내었다. 제작된 질화갈륨 PIN 다이오드가 우수한 RF 특성 및 광대역 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과들은 질화갈륨 PIN 다이오드가 마이크로파 응용의 고전력 스위칭 소자에 적합한 소자임을 증명하는 것이다.