KR102662095B1 - Surface Trap Level Extraction Method - Google Patents
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Abstract
본 출원은 에피택셜 구조체를 포함하는 HEMT의 신뢰성 평가에 도움이 되는 표면트랩준위 추출 방법을 제공한다.This application provides a surface trap level extraction method that is helpful in evaluating the reliability of HEMT including an epitaxial structure.
Description
본 출원은 표면트랩준위 추출 방법에 관한 것이다.This application relates to a method for extracting surface trap levels.
최근 고전자 이동도 트랜지스터(high-electron-mobility-transistor, HEMTS)는 서브테라헤르츠 체제까지의 전력 및 RF 애플리케이션을 포함하여 뛰어난 재료 특성과 장치 성능으로 인해 차세대 반도체 기술로 상당한 주목을 받고 있다. 이러한 유리한 특성과 성능은 주로 Si, Sapphire 및 SiC 위에 2차원 전자 가스(2DEG)를 형성하는 AlxGa1-xN 배리어층과 GaN 채널층으로 구성된 에피택셜 구조의 고품질에 기인한다.Recently, high-electron-mobility-transistors (HEMT S ) have received considerable attention as a next-generation semiconductor technology due to their outstanding material properties and device performance, including power and RF applications up to the subterahertz regime. These advantageous properties and performances are mainly due to the high quality of the epitaxial structure, which consists of an Al x Ga 1-x N barrier layer and a GaN channel layer, forming a two-dimensional electron gas (2DEG) on Si, Sapphire, and SiC.
특히, AlxGa1-xN 배리어층과 GaN 채널층 계면의 품질은 장치 작동 중 채널의 캐리어 전송 개선에 매우 중요하다. 에피택셜 구조체의 품질 외에도 신뢰성은 다양한 요인에 대한 조사가 필요한 지속적인 연구 주제이다.In particular, the quality of the interface between the Al x Ga 1-x N barrier layer and the GaN channel layer is very important for improving carrier transmission in the channel during device operation. In addition to the quality of the epitaxial structure, reliability is an ongoing research topic that requires investigation of various factors.
본 발명의 목적은 에피택셜 구조체를 포함하는 HEMTS의 신뢰성 평가에 도움이 되는 표면트랩준위 추출 방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a surface trap level extraction method that is helpful in evaluating the reliability of HEMT S including an epitaxial structure.
본 발명은 표면트랩준위 추출 방법에 관한 것으로, III-V족 화합물과 III-V족 화합물 간 계면 트랩 및 경계 트랩 밀도를 포함하는 표면트랩 준위를 추출하는 방법을 제공한다. The present invention relates to a method for extracting surface trap levels, and provides a method for extracting surface trap levels including interface traps and boundary trap densities between group III-V compounds and group III-V compounds.
구체적으로, 본 발명은 AlxGa1-xN 배리어층 및 GaN 채널층을 포함하는 에피택셜 구조체에서 AlxGa1-xN 배리어층과 GaN 채널층 사이의 계면 트랩(interface trap) 및 경계 트랩(border trap) 밀도를 포함하는 표면트랩준위를 추출하는 방법을 제공한다. 상기 AlxGa1-xN 배리어층은 Al0.25Ga0.75N 배리어층일 수 있다. Specifically, the present invention relates to an interface trap and boundary trap between an Al x Ga 1-x N barrier layer and a GaN channel layer in an epitaxial structure including an Al x Ga 1-x N barrier layer and a GaN channel layer. (border trap) Provides a method to extract the surface trap level including density. The Al x Ga 1-x N barrier layer may be an Al 0.25 Ga 0.75 N barrier layer.
상기 에피택셜 구조체는 고전자 이동도 트랜지스터(High electron mobility transistors, HEMTs)에 적용되는 것일 수 있다. 도 1을 참조하면, 상기 고전자 이동도 트랜지스터는, SiC 기판, AlN 핵형성층, GaN 고저항층, GaN 채널층, AlxGa1-xN 배리어층 및 게이트가 순차로 적층된 구조를 가질 수 있다.The epitaxial structure may be applied to high electron mobility transistors (HEMTs). Referring to FIG. 1, the high electron mobility transistor may have a structure in which a SiC substrate, an AlN nucleation layer, a GaN high-resistance layer, a GaN channel layer, an Al x Ga 1-x N barrier layer, and a gate are sequentially stacked. there is.
본 발명에 따른 표면트랩준위 추출 방법은 AlxGa1-xN 배리어층과 GaN 채널층 사이의 계면 트랩(interface trap) 및 경계 트랩(border trap) 밀도를 포함하는 표면트랩준위를 추출함으로써, AlxGa1-xN 배리어층의 트랩 준위 분석이 가능하고, 이를 토대로 AlxGa1-xN 배리어층을 개선하여 HEMTs의 전기적특성을 개선하는데 기여할 수 있다.The surface trap level extraction method according to the present invention extracts the surface trap level including the interface trap and border trap density between the Al x Ga 1-x N barrier layer and the GaN channel layer, It is possible to analyze the trap level of the x Ga 1-x N barrier layer, and based on this, it can contribute to improving the electrical characteristics of HEMTs by improving the Al x Ga 1-x N barrier layer.
계면 트랩 밀도(Dit)는 전도도 방법(conductance method)을 이용할 수 있다. 전도도 방법은 MOS 장비에서 유전체와 반도체 사이의 계면 트랩 분석으로 널리 사용되는 방법 중 하나이다. 상기 AlxGa1-xN 배리어층은 약 4eV의 넓은 밴드갭과 약 9.4의 높은 유전상수를 갖기 때문에 유전체 역할을 할 수 있다.도 2a는 공핍 모드에서 금속-절연체-반도체 소자의 등가 회로도이다. 보다 상세하게, 도 2a는 계면 트랩을 포함하고 있는 공핍 상태의 MOS(A metal-oxide semiconductor filed effect transistor)의 등가 회로도를 나타낸다. The interface trap density (Dit) can be determined using the conductance method. The conductivity method is one of the widely used methods for analyzing interface traps between dielectrics and semiconductors in MOS equipment. The Al . More specifically, FIG. 2A shows an equivalent circuit diagram of a metal-oxide semiconductor filed effect transistor (MOS) in a depleted state containing an interface trap.
여기서, Cit는 계면 트랩 정전 용량, Cs는 반도체 정전용량 및 Rs는 직렬 저항이다. 계면 트랩 정전용량은 Cit = qDit를 의미하고, 여기서 q는 성분(element)의 전하 그리고 Dit는 계면 트랩 밀도이다. 전자가 계면 트랩에 의하여 포획될 때, 계면 트랩 정전용량 Cit의 형성에 직접적인 기여가 이루어진다.Here, C it is the interfacial trap capacitance, C s is the semiconductor capacitance and R s is the series resistance. The interface trap capacitance means C it = qD it , where q is the charge of the element and D it is the interface trap density. When electrons are captured by an interfacial trap, they directly contribute to the formation of the interfacial trap capacitance C it .
계면 트랩 밀도(Dit)는 하기 식 1에 나타낸 바와 같이 정규화된 병렬 전도도 피크(Gp/ω)max로부터 계산될 수 있다.The interfacial trap density (D it ) can be calculated from the normalized parallel conductance peak (Gp/ω) max as shown in Equation 1 below.
[식 1][Equation 1]
상기 식 1에서, A는 장치 면적이고, q는 전하이며, Gp는 등가 병렬 전도도이고, ω는 각진동수이다. 상기 장치 면적은 예를 들어, HEMTs 안에서 실제로 전자가 이동하는 구간 면적을 의미할 수 있다.In Equation 1 above, A is the device area, q is the charge, G p is the equivalent parallel conductance, and ω is the angular frequency. For example, the device area may refer to the area of the section where electrons actually move within HEMTs.
상기 등가 병렬 전도도(Gp)는 하기 식 2를 이용하여 측정될 수 있다.The equivalent parallel conductivity (Gp) can be measured using Equation 2 below.
[식 2][Equation 2]
상기 식 2에서, Cins는 배리어층 정전 용량이고, Gc는 보정된 전도도이며, Cc는 보정된 정전용량이다. 본 발명에서 용어 절연체 또는 배리어층은 AlxGa1-xN 배리어층을 의미할 수 있고, 채널층은 GaN 채널층을 의미할 수 있다. In Equation 2 above, C ins is the barrier layer capacitance, G c is the corrected conductivity, and C c is the corrected capacitance. In the present invention, the term insulator or barrier layer may refer to an Al x Ga 1-x N barrier layer, and the channel layer may refer to a GaN channel layer.
이하 식 3 내지 5에 따라, 상기 보정된 전도도 및 보정된 정전용량은 각각 직렬 저항 Rs에 대해 보정(corrected)되어야 한다.According to Equations 3 to 5 below, the corrected conductivity and corrected capacitance must each be corrected for series resistance R s .
예를 들어, 상기 보정된 정전용량 및 보정된 전도도는 각각 하기 식 3 및 식 4에 의해 보정된 것일 수 있다.For example, the corrected capacitance and the corrected conductivity may be corrected by Equation 3 and Equation 4 below, respectively.
[식 3][Equation 3]
[식 4][Equation 4]
상기 식 3 및 식 4에서,In Equations 3 and 4 above,
Gm은 측정된 전도도이고, Cm은 측정된 정전용량이며, Rs는 직렬 저항이다.G m is the measured conductivity, C m is the measured capacitance, and R s is the series resistance.
상기 직렬 저항은 하기 식 5에 의하여 측정될 수 있다.The series resistance can be measured by Equation 5 below.
[식 5] [Equation 5]
상기 식 5에서, Cma 및 Gma는 각각 축적(accumulation)된 상태에서 측정된 정전용량 및 전도도이고, ω는 각진동수이다.In Equation 5, C ma and G ma are the capacitance and conductivity measured in the accumulation state, respectively, and ω is the angular frequency.
하기 식 6에 나타낸 바와 같이 계면 트랩 응답은 포획 및 배출 속도의 Shockley-Read-Hall 통계에 의하여 측정될 수 있다.As shown in Equation 6 below, the interfacial trap response can be measured by Shockley-Read-Hall statistics of capture and release rates.
[식 6] [Equation 6]
상기 식 6에서, △E는 트랩 에너지 준위 ET와 전도도 밴드 EC의 에너지 차이이고, KB는 볼츠만 상수이며 및 T는 온도이다. σ는 트랩의 단면이며, vth는 평균 열 속도이고, Ddos는 유효 상태 밀도이다.In Equation 6 above, ΔE is the energy difference between the trap energy level E T and the conductivity band E C , K B is the Boltzmann constant, and T is the temperature. σ is the cross-section of the trap, v th is the average heat velocity, and D dos is the effective density of states.
도 2b은 금속 산화물 반도체 소자를 나타내는 분산 벌크 산화물 트랩 모델의 등가 회로도이다.Figure 2b is an equivalent circuit diagram of a distributed bulk oxide trap model representing a metal oxide semiconductor device.
본 발명에서 경계 트랩 추출(Nbt)은 도 2b에 도시된 분산 회로 모델을 사용하였다. 도 2b에 도시된 분산 회로 모델은 "Yuan, Y. et al. A distributed model for border traps in Al2O3-InGaAs MOS devices. IEEE Electron Device Lett. 32, 485-487 (2011)." 문헌에 기반한 수정 버전이다.In the present invention, boundary trap extraction (N bt ) used the distributed circuit model shown in Figure 2b. The distributed circuit model shown in Figure 2b is described in "Yuan, Y. et al. A distributed model for border traps in Al2O3-InGaAs MOS devices. IEEE Electron Device Lett. 32, 485-487 (2011)." This is a modified version based on the literature.
경계 트랩 추출을 위하여 분산된 경계 트랩 모델은 특정한 게이트 바이어스 전압에서 축적 영역의 진동수의 분산을 분석한다. 이 모델에서는 배리어층 정전용량을 작은 전기용량을 갖는 요소로 나눈다. 즉, εins/△x와 같이 표현할 수 있고, 여기서 εins는 유전체 유전율이고, △x는 배리어층 두께의 작은 부분이다. 경계 트랩 유도 전하 및 에너지 손실은 두께의 특정 부분에 대하여 일련의 어드미턴스(admittance)에 의하여 기술할 수 있다. 전체 어드미턴스는 배리어층 정전용량에 병렬로 연결되는 정전용량 Cbt 및 전도도 Gbt의 직렬연결로 구성된다. 반도체 정전용량 Cs는 직렬로 연결되어 있고, 전체 구조는 하기 식 7과 같이 1차 미분 방정식에 의하여 표현될 수 있다.To extract boundary traps, the distributed boundary trap model analyzes the distribution of the frequency of the accumulation region at a specific gate bias voltage. In this model, the barrier layer capacitance is divided into elements with small capacitance. In other words, it can be expressed as ε ins /△x, where ε ins is the dielectric permittivity and △x is a small portion of the barrier layer thickness. The boundary trap induced charge and energy loss can be described by a series of admittances for a certain portion of the thickness. The total admittance consists of a series connection of the capacitance C bt and the conductivity G bt connected in parallel to the barrier layer capacitance. The semiconductor capacitance C s is connected in series, and the overall structure can be expressed by a first-order differential equation as shown in Equation 7 below.
[식 7][Equation 7]
상기 식 7에서,In equation 7 above,
경계 조건인 x = 0이고, Y = jωCs (Y = 전체 어드미턴스, total admittance)이며,The boundary conditions are x = 0, Y = jωC s (Y = total admittance),
j는 복소수의 허수부이고, ω는 각진동수이고, q는 전자 전하이며,j is the imaginary part of the complex number, ω is the angular frequency, q is the electronic charge,
τ는 전자를 포획하기 위한 빈 트랩에 대한 평균 시간이고, εins는 유전체 유전율이며, Nbt는 절연층의 경계 트랩 밀도이다.τ is the average time for an empty trap to capture an electron, ε ins is the dielectric permittivity, and N bt is the boundary trap density of the insulating layer.
일반적으로, 배리어층 내의 경계 트랩과 채널층 내에서 이동하는 캐리어는 전하를 교환할 수 있다. 이러한 전하 교환은 터널링을 통해 발생한다. 전자를 포획하기 위한 빈 트랩에 대한 평균 시간은 τ로 나타내고, 이는 이하 식 8과 같이 트랩과 계면 사이의 거리 x에 지수적으로 비례한다.In general, boundary traps within the barrier layer and carriers moving within the channel layer can exchange charges. This charge exchange occurs through tunneling. The average time for an empty trap to capture an electron is expressed as τ, which is exponentially proportional to the distance x between the trap and the interface, as shown in Equation 8 below.
[식 8][Equation 8]
상기 식 8에서, τ0는 포획/방출 시간 상수이고, k는 배리어층의 감쇠 상수이다.In Equation 8 above, τ 0 is the capture/release time constant, and k is the attenuation constant of the barrier layer.
상기 배리어층의 감쇠 상수는 하기 식 8-1에 의해 정의된다.The attenuation constant of the barrier layer is defined by Equation 8-1 below.
[식 8-1][Equation 8-1]
상기 식 8-1에서, m*는 배리어층의 유효 질량이고, Eb는 배리어층과 채널층 사이의 에너지 장벽의 높이이며 및 h는 감소된 플랑크 상수이다.In Equation 8-1, m * is the effective mass of the barrier layer, E b is the height of the energy barrier between the barrier layer and the channel layer, and h is the reduced Planck's constant.
또한 t0는 하기 식 9와 같이 정의될 수 있다.Additionally, t 0 can be defined as Equation 9 below.
[식 9][Equation 9]
상기 식 9에서, ns는 반도체 표면의 전자 밀도이고, vth는 전자 열 속도이며, σ는 경계 트랩의 포획 단면 면적이다. 장치가 축적 상태에 있을 때 페르미 준위는 전도대에 가깝다. 이 경우 ns는 전도대의 상태 밀도와 상대적으로 같아질 수 있다. ωτ=1이라고 가정하면, 고정 진동수(f)에서 경계 트랩의 탐침 깊이(Xp)는 하기 식 10과 같이 측정될 수 있다.In Equation 9 above, n s is the electron density on the semiconductor surface, v th is the electron heat velocity, and σ is the trapping cross-sectional area of the boundary trap. When the device is in the accumulation state, the Fermi level is close to the conduction band. In this case, n s can be relatively equal to the density of states in the conduction band. Assuming ωτ=1, the probe depth (X p ) of the boundary trap at a fixed frequency (f) can be measured as shown in Equation 10 below.
[식 10][Equation 10]
또한, 상기 식 10은 총 정전용량(Ctot)에 대해 아래 식 11 내지 13과 같이 단순화될 수 있다. Additionally, Equation 10 above can be simplified as Equations 11 to 13 below for the total capacitance (C tot ).
[식 11][Equation 11]
[식 12][Equation 12]
[식 13][Equation 13]
본 발명에 따른 표면트랩준위 추출 방법은 AlGaN 배리어층과 GaN 채널층 사이의 계면 트랩 밀도과 경계 트랩 밀도를 포함하는 표면트랩 준위의 정확한 측정이 가능하여, AlGaN/GaN 에피택셜 구조체를 포함하는 HEMTs의 성능 개선 및 신뢰성 평가에 기여할 수 있다.The surface trap level extraction method according to the present invention enables accurate measurement of the surface trap level including the interface trap density and boundary trap density between the AlGaN barrier layer and the GaN channel layer, thereby improving the performance of HEMTs containing the AlGaN/GaN epitaxial structure. It can contribute to improvement and reliability evaluation.
도 1은 고전자 이동도 트랜지스터(High electron mobility transistors, HEMTs) 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2a는 공핍 모드에서 금속-절연체-반도체 소자의 등가 회로도이다.
도 2b은 금속 산화물 반도체 소자를 나타내는 분산 벌크 산화물 트랩 모델의 등가 회로도이다.
도 3a는 트랩의 활성 응답 영역을 보여주는 진동수 기반 C-V 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3b는 측정된 C-V 특성과 시뮬레이션된 C-V 특성 간의 비교 그래프이다.
도 3c는 공핍(Depletion) 영역 내 트랩을 보여주는 시뮬레이션된 밴드 다이어그램이다.
도 3d는 축적(Accumulation) 영역 내 트랩을 보여주는 시뮬레이션된 밴드 다이어그램이다.
도 4a는 밴드 에너지 상태의 함수로서 계면 트랩 분포를 나타낸 그래프이다.
도 4b는 서로 다른 게이트 바이어스 지점에서 진동수에 대한 등가 병렬 전도도 피크(Gp/ω)를 나타낸 그래프이다.
도 4c는 문턱전압이하 스윙(subthreshold swing, ss)를 보여주는 기본 전달 곡선(log(ID)-VGS)을 나타낸 그래프이다.
도 5a는 VGS=-3.5 V에서 분산 회로 모델을 사용하여 생성된 피팅 곡선이다.
도 5b는 Al0.25Ga0.7N/GaN 계면에서 Al0.25Ga0.7N 배리어층의 경계 트랩 분포의 등고선 맵핑 그래프이다.
도 6a는 다양한 게이트 바이어스(VGS) 지점에서 진동수에 대한 잡음 스펙트럼 밀도(SID/ID2)를 나타낸 그래프이다.
도 6b는 드레인 전류 ID의 함수로서의 잡음 스펙트럼 밀도 (SID/ID2) 및 (gm/ID)2을 나타낸 그래프이다.Figure 1 is a schematic diagram showing the structure of high electron mobility transistors (HEMTs).
2A is an equivalent circuit diagram of a metal-insulator-semiconductor device in depletion mode.
Figure 2b is an equivalent circuit diagram of a distributed bulk oxide trap model representing a metal oxide semiconductor device.
Figure 3a is a graph showing frequency-based CV measurement results showing the active response area of the trap.
Figure 3b is a comparison graph between measured and simulated CV characteristics.
Figure 3c is a simulated band diagram showing traps in the depletion region.
Figure 3d is a simulated band diagram showing traps in the accumulation region.
Figure 4a is a graph showing the interfacial trap distribution as a function of band energy state.
Figure 4b is a graph showing the equivalent parallel conductance peak (G p /ω) versus frequency at different gate bias points.
Figure 4c is a graph showing the basic transfer curve (log(I D ) -VGS ) showing the subthreshold swing (ss).
Figure 5a is a fitting curve generated using a distributed circuit model at V GS =-3.5 V.
Figure 5b is a contour mapping graph of the boundary trap distribution of the Al 0.25 Ga 0.7 N barrier layer at the Al 0.25 Ga 0.7 N/GaN interface.
Figure 6a is a graph showing the noise spectral density (S ID /ID 2 ) versus frequency at various gate bias (V GS ) points.
Figure 6b is a graph showing noise spectral density (S ID /ID 2 ) and (g m /I D ) 2 as a function of drain current ID.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.Therefore, the configuration shown in the embodiments described in this specification is only one of the most preferred embodiments of the present invention and does not represent the entire technical idea of the present invention, so various equivalents can be substituted for them at the time of filing the present application. There may be variations.
금속유기화학 증기증착법(metal organic chemical vapour deposition; MOCVD)을 이용하여 SiC 기판 상에 에피택셜 층을 성장시켰다. 도 1과 같이, AlN 핵형성층, 2.6㎛ 고저항 GaN층, 150nm GaN 채널층, 28nm Al0.25Ga0.75N 배리어층 순서로 아래에서 위로 증착하였다. 홀 측정 결과 이동도(μn_Hall)와 시트 전하 밀도(2DEG)는 각각 2200 cm2·V-1·s-1 및 9×1012 cm-2인 것으로 나타났다.An epitaxial layer was grown on a SiC substrate using metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). As shown in Figure 1, the AlN nucleation layer, 2.6㎛ high-resistance GaN layer, 150nm GaN channel layer, and 28nm Al 0.25 Ga 0.75 N barrier layer were deposited in that order from bottom to top. As a result of Hall measurements, the mobility (μ n_Hall ) and sheet charge density (2DEG) were found to be 2200 cm 2 ·V -1 ·s -1 and 9×10 12 cm -2 , respectively.
소자를 분리하기 위해 Cl2 기반 유도 결합 플라즈마(ICP) 에칭으로 메사 분리(Mesa isolation)를 수행했습니다. 옴 금속(ohmic metal) 증착 전에 기판을 HCl과 탈이온수(1:5)의 혼합물로 30초 동안 희석하여 형성된 모든 종류의 자연 산화물을 제거하였다.To isolate the devices, mesa isolation was performed by Cl 2 -based inductively coupled plasma (ICP) etching. Before ohmic metal deposition, the substrate was diluted with a mixture of HCl and deionized water (1:5) for 30 seconds to remove any type of native oxide formed.
옴 접촉 형성을 용이하게 하기 위해, 830 ℃에서 30초 동안 N2 환경에서, 전자 빔(e-beam) 증발기와 급속 열 어닐링을 사용하여 Si/Ti/Al/Ni/Au(1/25/160/40/100 nm) 합금을 소스 및 드레인 영역에 증착하였다.To facilitate ohmic contact formation, Si/Ti/Al/Ni/Au ( 1/25/160 /40/100 nm) alloy was deposited on the source and drain regions.
접촉 저항(RC)과 시트 저항(RSH)은 TLM(transmission-line-method) 측정에 의해 각각 1.2 Ω·mm 및 320 Ω/□로 추출되었다. 강력한 프로브 접촉을 달성하기 위해, Ti/Au(20/300 nm) 패딩층은 E-빔 증발기를 사용하여 증착하였다. 마지막으로 게이트 메탈은 Ni/Au(20/400 nm)도 e-빔 증발기를 사용하여 증착하였다. The contact resistance (R C ) and sheet resistance (R SH ) were extracted as 1.2 Ω·mm and 320 Ω/□, respectively, by transmission-line-method (TLM) measurements. To achieve strong probe contact, a Ti/Au (20/300 nm) padding layer was deposited using an E-beam evaporator. Lastly, the gate metal Ni/Au (20/400 nm) was also deposited using an e-beam evaporator.
제작된 소자의 게이트 길이(Lg), 게이트 폭(Wg) 및 소스-드레인 거리(Lsd)는 각각 14, 50 및 18㎛였다. 모든 디바이스는 동일한 소스-게이트 거리(Lsg)와 2㎛의 게이트-소스 거리(Lgd)를 가졌습니다. 도 1의 고해상도 TEM 이미지에서 잘 증착된 Al0.25GaN0.75N/GaN 계면을 관찰할 수 있었다. Al0.25GaN0.75N 배리어층의 두께는 약 28nm(27.8nm)였으며, GaN 채널층과 양호한 계면을 형성하였다.The gate length (L g ), gate width (W g ), and source-drain distance (L sd ) of the fabricated device were 14, 50, and 18 μm, respectively. All devices had the same source-to-gate distance (L sg ) and a gate-to-source distance (L gd ) of 2 μm. In the high-resolution TEM image of Figure 1, a well-deposited Al 0.25 GaN 0.75 N/GaN interface could be observed. The thickness of the Al 0.25 GaN 0.75 N barrier layer was about 28 nm (27.8 nm), and it formed a good interface with the GaN channel layer.
도 3a는 트랩의 활성 응답 영역을 보여주는 진동수 기반 C-V 측정 결과를 나타낸 그래프이고, 도 3b는 측정된 C-V 특성과 시뮬레이션된 C-V 특성 간의 비교 그래프이며, 도 3c는 공핍(Depletion) 영역 내 트랩을 보여주는 시뮬레이션된 밴드 다이어그램이고, 도 3d는 축적(Accumulation) 영역 내 트랩을 보여주는 시뮬레이션된 밴드 다이어그램이다.Figure 3a is a graph showing frequency-based C-V measurement results showing the active response region of the trap, Figure 3b is a comparison graph between measured and simulated C-V characteristics, and Figure 3c is a simulation showing the trap in the depletion region. This is a simulated band diagram, and Figure 3d is a simulated band diagram showing traps in the accumulation region.
그림 3a는 진동수 분산이 분명한 Al0.25GaN0.75N/GaN HEMT의 진동수 기반 C-V 측정 결과를 나타낸다. 진동수 분산은 여러 가지 이유로 발생할 수 있다. C-V 측정 시 진동수 분산의 주요 원인 중 일부는 기생 효과, 손실 계면층, 표면 거칠기 및 양자 역학적 구속 등이 포함된다. 그 중 가장 큰 영향을 미치는 원인은 AlxGa1-xN/GaN의 손실 계면층이다. AlxGa1-xN 층의 트랩 상태는 대부분 분산의 원인입니다. 공핍 영역의 진동수 분산은 이 영역이 계면 트랩의 지배적인 영역임을 나타내는 반면 축적 영역의 분산은 경계 트랩의 지배적인 영역을 나타낸다. Nextnano 시뮬레이션 도구(1차원 푸아송-슈뢰딩거 솔버)를 사용하여 그림 3b와 같이 일정한 게이트 오버드라이브(VGS - VT)에 대해 측정되고 시뮬레이션된 정전용량을 비교하였다. 측정된 C-V 곡선과 시뮬레이션된 C-V 곡선이 유사하여 측정된 데이터에 대한 누설 전류 효과가 더 낮다는 것이 분명한 것을 알 수 있었다. 따라서, AlxGa1-xN층은 MIS/MOS 구조와 유사하게 높은 유전 상수로 인해 절연체로 취급될 수 있는 것을 확인하였다. 그림 3c, d는 공핍 및 축적 영역에서 각각 밴드 다이어그램(시뮬레이션을 통해 결정됨)을 보여주었다. 공핍 영역에서 페르미 레벨(EF) 위의 계면 트랩은 대부분 활성화되었다. 이로 인해 채널 영역에서 캐리어의 포획 및 방출이 발생하였다. EF가 전도대 EC를 관통하는 축적 영역에서 표면의 전자는 터널링을 통해 보더 트랩에 의해 포획되고 방출되었다.Figure 3a shows the frequency-based CV measurement results of Al 0.25 GaN 0.75 N/GaN HEMT with clear frequency dispersion. Frequency dispersion can occur for several reasons. Some of the major causes of frequency dispersion in CV measurements include parasitic effects, lossy interfacial layers, surface roughness, and quantum mechanical constraints. Among them, the cause that has the greatest impact is the lossy interface layer of Al x Ga 1-x N/GaN. The trap states in the Al x Ga 1-x N layer are mostly responsible for the dispersion. The frequency dispersion of the depletion region indicates that this region is a dominant region of interfacial traps, while the dispersion of the accumulation region indicates a dominant region of boundary traps. The Nextnano simulation tool (one-dimensional Poisson-Schrödinger solver) was used to compare measured and simulated capacitances for constant gate overdrive (VGS - VT), as shown in Figure 3b. It can be seen that the measured and simulated CV curves are similar, making it clear that the leakage current effect on the measured data is lower. Therefore, it was confirmed that the Al x Ga 1-x N layer can be treated as an insulator due to its high dielectric constant, similar to the MIS/MOS structure. Figure 3c, d showed the band diagrams (determined through simulation) in the depletion and accumulation regions, respectively. In the depletion region, the interfacial traps above the Fermi level (E F ) were mostly activated. This resulted in capture and release of carriers in the channel region. In the accumulation region where E F penetrates the conduction band E C , electrons on the surface were captured and released by the border trap through tunneling.
Keysight B1500A 반도체 소자 분석기와 Agilent 4384A 정밀 LCR 미터가 모든 DC 측정에 사용되었다. 1/f 측정은 배터리로 작동되는 SRS SR570 저잡음 전류 전치 증폭기, HP 35670A 동적 신호 분석기 및 1Hz 필터 장치로 구성된 설정을 사용하여 수행되었다.배리어층 정전용량(Cins)은 다음 식 14로 결정되었다.A Keysight B1500A semiconductor device analyzer and Agilent 4384A precision LCR meter were used for all DC measurements. 1/f measurements were performed using a setup consisting of a battery-operated SRS SR570 low-noise current preamplifier, an HP 35670A dynamic signal analyzer, and a 1 Hz filter device. The barrier layer capacitance (C ins ) was determined by equation 14:
[식 14][Equation 14]
상기 식 14에서, εo는 자유공간의 유전율이고 εins는 유전체 유전율이다. "Zhao, J. Z. et al. Determination of the relative permittivity of the AlGaN barrier layer in strained AlGaN/GaN heterostructures. Chin. Phys. B 18, 3980-3984 (2009)"와 "Li, L. et al. On the hole injection for III-nitride based deep ultraviolet light-emitting diodes. Materials (Basel) 10, 1221 (2017)."문헌에 기재된 내용에 따라, ε=0.5x+9.5(여기서 x는 AlxGa1-xN 배리어층의 Al 함량을 나타낸다)이고, 여기서 계산된 εins의 값은 x = 25%에 대해 약 9.375이다.In Equation 14 above, ε o is the permittivity of free space and ε ins is the dielectric permittivity. "Zhao, JZ et al. Determination of the relative permittivity of the AlGaN barrier layer in strained AlGaN/GaN heterostructures. Chin. Phys. B 18, 3980-3984 (2009)" and "Li, L. et al. On the hole injection for III-nitride based deep ultraviolet light-emitting diodes. Materials (Basel) 10, 1221 (2017). According to the literature, ε=0.5x+9.5 (where x is Al x Ga 1-x N barrier) represents the Al content of the layer), where the calculated value of ε ins is approximately 9.375 for x = 25%.
AlN의 텐서 성분과 GaN의 {0001} 비유전율(relative permittivity)은 관계를 얻기 위해 선형 보간되었다. 병렬 등가 컨덕턴스(Gp)는 직렬 저항에 대한 측정된 커패시턴스 및 컨덕턴스의 보정과 함께 전술한 식1을 사용하여 계산되었습니다.The tensor component of AlN and the {0001} relative permittivity of GaN were linearly interpolated to obtain the relationship. The parallel equivalent conductance (G p ) was calculated using Equation 1 described above with correction of the measured capacitance and conductance for series resistance.
도 4a는 밴드 에너지 상태의 함수로서 계면 트랩 분포를 나타낸 그래프이고, 도 4b는 서로 다른 게이트 바이어스 지점에서 진동수에 대한 등가 병렬 전도도 피크(Gp/ω)를 나타낸 그래프이며, 도 4c는 문턱전압이하 스윙(subthreshold swing, ss)를 보여주는 기본 전달 곡선(log(ID)-VGS)을 나타낸 그래프이다.Figure 4a is a graph showing the interfacial trap distribution as a function of the band energy state, Figure 4b is a graph showing the equivalent parallel conductance peak (Gp/ω) versus frequency at different gate bias points, and Figure 4c is a graph showing the subthreshold voltage swing. This is a graph showing the basic transfer curve (log(I D ) -VGS ) showing (subthreshold swing, ss).
다시 말해, 도 4b는 각 진동수(ω)에 대한 병렬 전도도 피크(Gp/ω)의 그래프이다.In other words, Figure 4b is a graph of parallel conductance peaks (G p /ω) versus angular frequency (ω).
전술한 식 5를 이용하여 (Gp/ω)max 피크에서 Dit를 추출하였다. "Ma, X. H. et al. Quantitative characterization of interface traps in Al2O3/AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor high-electron-mobility transistors by dynamic capacitance dispersion technique. Appl. Phys. Lett. 103, 2012-2015 (2013).", "Liu, W. L., Chen, Y. L., Balandin, A. A. & Wang, K. L. Capacitance-voltage spectroscopy of trapping states in GaN/AlGaN hetero-structure field-effect transistors. J. Nanoelectron. Optoelectron. https://doi.org/10.1166/jno.2006.212 (2006)." 및 "Kordos, P., Stoklas, R., Gregusova, D. & Novak, J. Characterization of AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor field-effect transistors by frequency dependent conductance analysis. Appl. Phys. Lett. 94, 1-4 (2009)." 문헌에 기재된 전도도 방법을 이용하여 추출한 Dit 값은 2.5×1012cm-2·eV-1에서 7.1×1012cm-2·eV-1로 S-HEMT 및 MOS-HEMT의 1011 내지 1014·eV-1 범위 내에 포함되었다. 그림 4a는 식 6으로 계산된 트랩 에너지(ΔE)에 대한 Dit를 나타낸다. 이 계산을 위해 (Gp/ω)max에 해당하는 진동수가 고려되었다.D it was extracted from the (Gp/ω) max peak using Equation 5 described above. "Ma, ", "Liu, WL, Chen, YL, Balandin, AA & Wang, KL Capacitance-voltage spectroscopy of trapping states in GaN/AlGaN hetero-structure field-effect transistors. https://doi.org. /10.1166/jno.2006.212 (2006).” and "Kordos, P., Stoklas, R., Gregusova, D. & Novak, J. Characterization of AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor field-effect transistors by frequency dependent conductance analysis. Appl. Phys. Lett. 94, 1 -4 (2009)." The D it value extracted using the conductivity method described in the literature ranges from 2.5×10 12 cm -2 ·eV -1 to 7.1×10 12 cm -2 ·eV -1 , which is 10 11 to 10 14 for S-HEMT and MOS-HEMT. ·It was within the range of eV -1 . Figure 4a shows D it versus trap energy (ΔE) calculated using Equation 6. For this calculation, the frequency corresponding to (G p /ω) max was considered.
실온(300K)에서 GaN 재료의 평균 열 속도 vth 및 유효 상태 밀도(Ddos)는 "Kordos, P., Stoklas, R., Gregusova, D. & Novak, J. Characterization of AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor field-effect transistors by frequency dependent conductance analysis. Appl. Phys. Lett. 94, 1-4 (2009)"문헌에 기재된 내용로부터 각각 2.6x107 cm·s-1 및 1.2x1018 cm-3인 것으로 간주되었다. 또한, "Zhang, K. et al. Trap states in InAlN/AlN/GaN-based double-channel high electron mobility transistors. J. Appl. Phys. 113, 10-25 (2013)"문헌에 기재된 내용으로부터 포획 단면적 σ의 값은 3.4×10-15 cm2로 가정하였다. 추출된 Dit 값의 신뢰도는 다음 식15를 사용하여 문턱전압이하 스윙(SS)의 이론적 계산을 통해 결정하였다.The average thermal rate v th and effective density of states (D dos ) of GaN materials at room temperature (300 K) are: “Kordos, P., Stoklas, R., Gregusova, D. & Novak, J. Characterization of AlGaN/GaN metal-oxide -Semiconductor field-effect transistors by frequency dependent conductance analysis. Phys. Lett. 94, 1-4 (2009). It is 2.6x10 7 cm·s-1 and 1.2x10 18 cm -3, respectively. was considered In addition, from the content described in the literature "Zhang, K. et al. Trap states in InAlN/AlN/GaN-based double-channel high electron mobility transistors. J. Appl. Phys. 113, 10-25 (2013)", the trap cross section The value of σ was assumed to be 3.4×10 -15 cm 2 . The reliability of the extracted D it value was determined through theoretical calculation of the subthreshold voltage swing (SS) using Equation 15 below.
[식 15][Equation 15]
추출된 가장 낮은 Dit에서 계산된 SS 값은 약 143 mV·dec-1인 반면 기본 I-V 측정에 의해 결정된 값은 142 mV·dec-1인 것으로 나타났다(도 4c). 이러한 측정값과 계산값의 유사성은 추출된 Dit 값의 신뢰성을 확인시켜 주었다.The SS value calculated from the lowest extracted D it was found to be approximately 143 mV·dec -1 , while the value determined by baseline IV measurements was found to be 142 mV·dec -1 (Figure 4c). The similarity between these measured and calculated values confirmed the reliability of the extracted D it values.
경계 트랩 밀도 Nbt를 추출하기 위해 표 1의 매개변수를 사용하였다.The parameters in Table 1 were used to extract the boundary trap density N bt .
상기 표 1에서, 감쇠 계수의 계산을 위해 Al0.25Ga0.75N의 유효 질량은 0.19mo로 간주되었다(여기서 mo는 정지 전자 질량을 나타낸다). 도 5a는 VGS=-3.5 V에서 분산 회로 모델을 사용하여 생성된 피팅 곡선이고, 5b는 Al0.25Ga0.7N/GaN 계면에서 Al0.25Ga0.7N 배리어층의 경계 트랩 분포의 등고선 맵핑 그래프이다.In Table 1 above, for the calculation of the attenuation coefficient, the effective mass of Al 0.25 Ga 0.75 N was considered to be 0.19 m o (where m o represents the rest electron mass). Figure 5a is a fitting curve generated using the distributed circuit model at V GS = -3.5 V, and 5b is a contour mapping graph of the boundary trap distribution of the Al 0.25 Ga 0.7 N barrier layer at the Al 0.25 Ga 0.7 N/GaN interface.
반도체 정전용량 CS는 기본 Nbt 추출 전압인 -3.5V의 누적 게이트 바이어스에서 Nextnano 시뮬레이션을 통해 추정되었다. 전술한 식 4에 따라, Nbt와 τo를 가변 피팅 파라미터로 고려하여 -3.5V에서 최적의 정전용량 곡선을 얻었다. 그림 5a에서 알 수 있듯이, Nbt = 1.5 × 1019 cm-3·eV-1 및 τo = 1 × 10-12 s에서 가장 잘 맞는 곡선이 얻어졌다. 여기서 CM은 -3.5V에서 다양한 인가 진동수에서 측정된 정전용량을 나타내고 Ctot는 피팅된 곡선을 나타낸다. 적용된 VGS와 Al0.25Ga0.75N/GaN 계면에서 Al0.25Ga0.75N 배리어층으로의 탐침 깊이(XP)의 함수로서 Nbt의 공간 분포가 그림 5b에 나타내었다. Nbt 값은 특정 인가 진동수에서 다양한 인가 전압에서 추출되었다. 계면에서 Al0.25Ga0.75N 층으로의 탐침 깊이는 Nbt 값과 관련된 다른 τo 값을 사용하여 전술한 식 10으로 계산하였다. 경계 트랩은 낮은 진동수에서 더 우세한 특성을 나타내므로 탐침 깊이(XP)를 추출하기 위해 10kHz의 낮은 진동수를 사용하였다.The semiconductor capacitance C S was estimated through Nextnano simulation at a cumulative gate bias of -3.5V, which is the basic N bt extraction voltage. According to the above-mentioned equation 4, the optimal capacitance curve was obtained at -3.5V by considering N bt and τ o as variable fitting parameters. As shown in Figure 5a, the best-fitting curve was obtained for N bt = 1.5 × 10 19 cm −3 ·eV −1 and τ o = 1 × 10 −12 s. Here, C M represents the measured capacitance at -3.5 V and various applied frequencies, and Ctot represents the fitted curve. The spatial distribution of N bt as a function of the applied V GS and the probe depth (X P ) from the Al 0.25 Ga 0.75 N/GaN interface into the Al 0.25 Ga 0.75 N barrier layer is shown in Figure 5b. N bt values were extracted from various applied voltages at specific applied frequencies. The probe depth from the interface into the Al 0.25 Ga 0.75 N layer was calculated using equation 10 described above using different τ values related to the N bt values. Since boundary traps exhibit more dominant characteristics at low frequencies, a low frequency of 10 kHz was used to extract the probe depth (X P ).
VGS가 증가함에 따라 페르미 레벨 EF는 전도대 EC로 더 깊이 침투하는 경향을 나타내었따. 결과적으로 더 많은 전자가 딥 레벨 트랩으로 터널링되는 경향이 있었다. τo를 제외한 모든 매개변수가 고정되었기 때문에 τo는 탐침 깊이(XP)와 반비례 관계를 보였다.As V GS increases, the Fermi level E F tends to penetrate deeper into the conduction band E C . As a result, more electrons tended to tunnel into the deep level trap. Since all parameters except τ o were fixed, τ o showed an inverse relationship with the probe depth (X P ).
도 6a는 다양한 게이트 바이어스(VGS) 지점에서 진동수에 대한 잡음 스펙트럼 밀도(SID/ID2)를 나타낸 그래프이고, 도 6b는 드레인 전류 ID의 함수로서의 잡음 스펙트럼 밀도 (SID/ID2) 및 (gm/ID)2을 나타낸 그래프이다.Figure 6a is a graph showing the noise spectral density (S ID /ID 2 ) versus frequency at various gate bias (VGS) points, and Figure 6b is a graph of the noise spectral density (S ID /ID 2 ) and (S ID /ID 2 ) as a function of drain current ID. This is a graph showing g m /I D ) 2 .
진동수 측정은 게이트 전압 VGS를 변경하고 드레인 바이어스 VDS를 0.5V로 고정하여 수행하였다. 그림 6a는 선형 영역의 다양한 VGS에서 최대 104Hz의 진동수에 대한 정규화된 SID/ID2(드레인 전류 잡음 스펙트럼 밀도)를 나타낸다. VGS가 증가하고 장치가 약한 반전에서 강한 반전으로 전환됨에 따라 잡음 레벨(SID/ID2)이 감소하는 것으로 확인되었다. 정규화된 SID/ID2를 ID(드레인 전류)의 함수로 플로팅하면 보다 명확한 결과를 얻을 수 있다. 그림 6b는 10Hz의 진동수에서 ID의 함수로서 정규화된 SID/ID2(파란색 구체)의 그래프를 나타낸다. Frequency measurements were performed by changing the gate voltage V GS and fixing the drain bias V DS at 0.5V. Figure 6a shows the normalized S ID /ID 2 (drain current noise spectral density) for frequencies up to 10 4 Hz for various V GS in the linear region. The noise level (S ID /ID 2 ) was found to decrease as V GS increases and the device switches from weak to strong inversion. A clearer result can be obtained by plotting the normalized S ID /ID 2 as a function of ID (drain current). Figure 6b shows a plot of normalized S ID /ID 2 (blue spheres) as a function of ID at a frequency of 10 Hz.
"Lyu, J.-S. A new method for extracting interface trap density in short-channel MOSFETs from substrate-bias-dependent subthresh-old slopes. ETRI J. 15, 10-25 (1993)." 문헌에 따라, 게이트 유전체의 채널 캐리어 트래핑 현상은 이하 식16 및 17의 캐리어 수 변동(CNF) 모델을 사용하여 설명된다."Lyu, J.-S. A new method for extracting interface trap density in short-channel MOSFETs from substrate-bias-dependent subthresh-old slopes. ETRI J. 15, 10-25 (1993)." According to the literature, the phenomenon of channel carrier trapping in the gate dielectric is described below using the carrier number variation (CNF) model in Equations 16 and 17.
[식 16][Equation 16]
[식 17][Equation 17]
상기 식 16 및 17에서, SVfb는 플랫밴드 전압 전력 스펙트럼 밀도(flatband voltage power spectral density)이고, kT는 열 에너지이며, WL은 채널 영역이고, Cd는 유전 정전용량이고, f는 진동수, Nt는 벌크/경계 트랩 밀도이다. 또한, λ는 유전체의 터널링 감쇠 거리이고, λ = [4π(2m*ФB)1/2/h]-1로 표현되며, 여기서 ФB는 유전체 장벽 높이이다.In Equations 16 and 17 above, S Vfb is the flatband voltage power spectral density, kT is the heat energy, WL is the channel area, Cd is the dielectric capacitance, f is the frequency, N t is the bulk/boundary trap density. Additionally, λ is the tunneling attenuation distance of the dielectric, expressed as λ = [4π(2m*Ф B ) 1/2 /h] -1 , where Ф B is the dielectric barrier height.
CNF 모델에 따르면 SID/ID 2 및 (gm/ID)2는 드레인 전류 또는 게이트 전압과 유사한 범위에서 변합니다. 그림 6b를 참조하면, SID/ID 2(파란색 구체) 및 (gm/ID)2(빨간색 선)는 다양한 ID에서 유사하게 변하는 것을 확인하였다. 식 16으로부터 SVfb 값은 10-10 V2·Hz-1로 계산되었고, 식 17로부터 경계 트랩 밀도 Nt는 1.3 × 1019cm-3·eV-1로 계산되었다. According to the CNF model, S ID /I D 2 and (g m /I D ) 2 vary in a range similar to the drain current or gate voltage. Referring to Figure 6b, S ID /I D 2 (blue sphere) and (g m /I D ) 2 (red line) were confirmed to change similarly at various IDs . From Equation 16, the S Vfb value was calculated as 10 -10 V 2 ·Hz -1 , and from Equation 17, the boundary trap density N t was calculated as 1.3 × 10 19 cm -3 ·eV -1 .
이 값들은 분산 회로 모델에서 추출한 경계 트랩 밀도 Nbt의 값과 유사한 수준이었으며, "Im, K.-S., Lee, J.-H., Choi, Y. J. & An, S. J. Effects of GaN buffer resistance on the device performances of AlGaN/GaN HEMTs. MDPI Cryst. 10, 1-7 (2020).", "Vodapally, S. et al. Comparison for 1/f noise characteristics of AlGaN/GaN FinFET and planar MISHFET. IEEE Trans. Electron Devices 64, 3634-3638 (2017)"및 "Jeon, D. Y. et al. Effects of series resistance and interface properties on the operation of AlGaN/GaN high electron mobility transis-tors. Microelectron. Eng. 199, 40-44 (2018)." 문헌에 나와 있는 1018 내지 1022 cm-3·eV-1 값과 유사한 수준이었다.These values were similar to the values of the boundary trap density N bt extracted from the distributed circuit model, and were reported in “Im, K.-S., Lee, J.-H., Choi, YJ & An, SJ Effects of GaN buffer resistance on The device performances of AlGaN/GaN HEMTs 10, 1-7 (2020).", "Vodapally, S. et al. Comparison for 1/f noise characteristics of AlGaN/GaN FinFET and planar MISHFET. Electron Devices 64, 3634-3638 (2017)" and "Effects of series resistance and interface properties on the operation of AlGaN/GaN high electron mobility microelectrons. 2018)." It was at a similar level to the values of 10 18 to 10 22 cm -3 ·eV -1 found in the literature.
고찰Review
주로 절연체/AlGaN 계면에 초점을 맞춘 기존 MOS 트랩 추출 방법과 달리, 본 발명에서는 AlGaN/GaN 계면에 초점을 맞춘 트랩 분석을 수행하였다. 기존 MOS 트랩 추출 방법의 수정된 버전을 사용하여 Al0.25Ga0.75N/GaN 계면의 계면 트랩 밀도 Dit 및 경계 트랩 밀도 Nbt를 추출하였다. Al0.25Ga0.75N 배리어층은 상대적으로 높은 유전 상수를 갖기 때문에 MOS 구조의 절연체와 유사하였다. 전도도 방법으로 추출한 Dit 값은 2.5Х1012 cm-2·eV-1 ~ 7.1Х1012 cm-2·eV-1 범위였으며, 분산회로 모델을 이용하여 추출한 Nbt 값은 1.5Х1019 cm -3· eV-1이였으며, o는 1 Х 10-12초였다. 1/f 진동수 측정을 통해 CNF 모델을 사용하여 추출된 경계 트랩 밀도 Nt는 1.3 Х 1019 cm-3·eV-1(상기 추출된 Nbt 값과 동일한 수준)로 트랩 추출 방법의 타당성과 신뢰성을 확인하였다.Unlike existing MOS trap extraction methods that mainly focus on the insulator/AlGaN interface, the present invention performed trap analysis focusing on the AlGaN/GaN interface. The interfacial trap density D it and boundary trap density N bt of the Al 0.25 Ga 0.75 N/GaN interface were extracted using a modified version of the existing MOS trap extraction method. The Al 0.25 Ga 0.75 N barrier layer was similar to the insulator of the MOS structure because it had a relatively high dielectric constant. The D it value extracted using the conductivity method ranged from 2.5Х10 12 cm -2 ·eV -1 to 7.1Х10 12 cm -2 ·eV -1 , and the N bt value extracted using the distributed circuit model was 1.5Х10 19 cm -3 · It was eV -1 , o was 1 Х 10 -12 s. The boundary trap density N t extracted using the CNF model through 1/f frequency measurements was 1.3 Х 10 19 cm -3 ·eV -1 (same level as the N bt value extracted above), demonstrating the validity and reliability of the trap extraction method. was confirmed.
Claims (8)
상기 AlxGa1-xN 배리어층은 절연층이고,
계면 트랩 밀도(Dit)는 전도도 방법(conductance method)에 따른 하기 식 1을 이용하여 측정되고,
경계 트랩 밀도(Nbt)는 분산된 경계 트랩 모델(distributed border trap model)에 따른 하기 식 7을 이용하여 측정되는 것, 표면트랩준위의 추출 방법:
[식 1]
[식 7]
상기 식 1에서,
A는 장치 면적이고, q는 전하이며, Gp는 등가 병렬 전도도이고, ω 는 각진동수이며,
상기 식 7에서,
경계 조건인 x = 0이고, Y = jωCs (Y = 전체 어드미턴스, total admittance)이며,
j는 복소수의 허수부이고, ω는 각진동수이고, q는 전자 전하이며,
τ는 전자를 포획하기 위한 빈 트랩에 대한 평균 시간이고, εins는 유전체 유전율이며, Nbt는 절연층의 경계 트랩 밀도이다.In an epitaxial structure including an Al x Ga 1 -x N barrier layer and a GaN channel layer , the interface trap density (D it ) and boundary trap ( It is characterized by extracting the surface trap level including the border trap density (N bt ),
The Al x Ga 1-x N barrier layer is an insulating layer,
The interfacial trap density (D it ) is measured using Equation 1 below according to the conductance method,
The border trap density (N bt ) is measured using Equation 7 below according to the distributed border trap model, and the method of extracting the surface trap level is:
[Equation 1]
[Equation 7]
In equation 1 above,
A is the device area, q is the charge, G p is the equivalent parallel conductance, ω is the angular frequency,
In equation 7 above,
The boundary conditions are x = 0, Y = jωC s (Y = total admittance),
j is the imaginary part of the complex number, ω is the angular frequency, q is the electronic charge,
τ is the average time for an empty trap to capture an electron, ε ins is the dielectric permittivity, and N bt is the boundary trap density of the insulating layer.
상기 등가 병렬 전도도는 하기 식 2에 의해 측정되는 표면트랩준위의 추출 방법:
[식 2]
상기 식 2에서, Cins는 배리어층의 정전 용량이고, Gc는 보정된 전도도이며, Cc는 보정된 정전용량이다. According to claim 1,
The equivalent parallel conductivity is measured by the following equation 2. Extraction method of surface trap level:
[Equation 2]
In Equation 2 above, C ins is the capacitance of the barrier layer, G c is the corrected conductivity, and C c is the corrected capacitance.
상기 보정된 정전용량 및 보정된 전도도는 각각 하기 식 3 및 식 4에 의해 보정된 것인 표면트랩준위의 추출 방법:
[식 3]
[식 4]
상기 식 3 및 식 4에서,
Gm 은 측정된 전도도이고, Cm 은 측정된 정전용량이며, Rs는 직렬 저항이다.According to claim 3,
Method for extracting surface trap level wherein the corrected capacitance and corrected conductivity are corrected by the following equations 3 and 4, respectively:
[Equation 3]
[Equation 4]
In Equations 3 and 4 above,
G m is the measured conductivity, C m is the measured capacitance, and R s is the series resistance.
상기 직렬 저항은 하기 식 5에 의하여 측정되는 표면트랩준위의 추출 방법:
[식 5]
상기 식 5에서,
Cma 및 Gma는 각각 축적된 상태에서 측정된 정전용량 및 전도도이다.According to claim 4,
The series resistance is measured by the following equation 5. Extraction method of surface trap level:
[Equation 5]
In Equation 5 above,
C ma and G ma are the capacitance and conductivity measured in the accumulated state, respectively.
상기 전자를 포획하기 위한 빈 트랩에 대한 평균 시간은 하기 식 8에 의해 정의되는 표면트랩준위의 추출 방법:
[식 8]
상기 식 8에서,
τ0는 포획/방출 시간 상수이고, k는 배리어층의 감쇠 상수이며,
상기 배리어층의 감쇠 상수는 하기 식 8-1에 의해 정의되고,
[식 8-1]
상기 식 8-1에서,
m*는 배리어층의 유효 질량이고, Eb는 배리어층과 채널층 사이의 에너지 장벽의 높이이며 및 h는 감소된 플랑크 상수이다.
According to claim 1,
The average time for an empty trap to capture the electron is defined by the following equation 8. Extraction method of surface trap level:
[Equation 8]
In Equation 8 above,
τ 0 is the capture/release time constant, k is the attenuation constant of the barrier layer,
The attenuation constant of the barrier layer is defined by the following equation 8-1,
[Equation 8-1]
In Equation 8-1 above,
m * is the effective mass of the barrier layer, E b is the height of the energy barrier between the barrier layer and the channel layer, and h is the reduced Planck's constant.
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Hogyoung Kim et al.,‘Comparison of electrical and interfacial characteristics between atomic-layer-deposited AlN and AlGaN on a GaN substrate’, Applied Physics A, 126, 449 (2020.05.25.)* |
WALID AMIR et al.,‘Comprehensive Analysis of Quantum Mechanical Effects of Interface Trap and Border Trap Densities of High-k Al2O3/In0.53Ga0.47As on a 300-mm Si Substrate’, IEEE Access, 8, 211464-211473 (2020.11.18)* |
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