AlN 완충층 두께 최적화가 GaN HEMT 전기·열 특성에 미치는 영향

초록

본 연구는 반절연 SiC 기판 위에 MOCVD로 성장한 AlGaN/GaN HEMT에서 AlN 완충층 두께를 120 nm부터 2 µm까지 변화시켜 구조적 변형, 전자 이동도, 열전도도를 조사하였다. 얇은 120 nm 완충층은 압축응력을 유지하며 매끄러운 스텝플로우 표면을 보였고, 2DEG 이동도가 가장 높았다. 두께가 550 nm인 단일층은 인장응력과 표면 거칠기가 증가해 이동도가 저하되었다. 다층 구조(1 µm, 2 µm)는 응력 완화와 표면 품질 유지가 가능했으며, 두께가 증가할수록 AlN의 열전도도가 188 W/m·K(300 K)까지 상승해 bulk 값의 약 60%에 도달했다. 결과는 고전력 GaN HEMT 설계 시 AlN 완충층 두께와 구조를 최적화해야 전기·열 성능을 균형 있게 향상시킬 수 있음을 시사한다.

상세 분석

본 논문은 AlN 완충층 두께가 AlGaN/GaN HEMT의 구조적, 전기적, 열적 특성에 미치는 복합적인 영향을 체계적으로 분석하였다. XRD ω‑2θ 스캔 결과, AlN 두께가 120 nm에서 550 nm로 증가함에 따라 AlN 피크의 FWHM이 감소하고 강도가 증가해 결정 품질이 향상됨을 확인하였다. 그러나 550 nm 단일층에서는 두 개의 겹친 AlN(0002) 피크가 나타나 상부는 부분적으로 이완된 반면 하부는 여전히 압축응력을 유지함을 보여, 두께가 임계값을 초과하면 응력 이완 메커니즘이 복합적으로 작동한다는 점을 시사한다. 1 µm·2 µm 다층 구조에서는 이러한 응력 불균형이 크게 완화되어 전체적인 인‑플레인 응력이 감소하고, GaN 채널의 c‑축 변형도 거의 0에 근접한다는 점에서 채널 자체는 두께 변화에 크게 민감하지 않음을 확인하였다.

AFM 분석에서는 120 nm 얇은 AlN이 각진 스텝플로우 형태를 보이며 RMS 거칠기가 0.35 nm에 불과해 매우 매끄러운 표면을 제공한다. 반면 550 nm 단일층은 RMS가 0.63 nm으로 상승하고, 다층 구조는 0.40 nm 수준으로 다시 개선된다. 표면 거칠기의 증가는 2DEG 이동도 저하와 직접적인 상관관계를 가지며, 이는 전자 산란 메커니즘이 인터페이스 거칠기에 크게 의존함을 의미한다.

전기적 특성 측면에서 저온(77 K~300 K) Hall 측정 결과, 120 nm 얇은 AlN 샘플이 1670 cm²/V·s의 최고 이동도를 기록한 반면, 550 nm 단일층은 1357 cm²/V·s로 감소하였다. 다층 구조(1 µm, 2 µm)는 이동도가 1500 ~ 1700 cm²/V·s 수준으로 회복되었으며, 이는 결함 밀도 감소와 표면 품질 개선이 전자 전도에 긍정적인 영향을 미친 결과이다. 또한, 시트 전하 밀도와 저항값 역시 두께에 따라 변동했으며, 두꺼운 다층 구조는 낮은 시트 저항을 유지한다.

열전도도(TTR) 측정에서는 AlN 두께가 증가함에 따라 열전도도가 현저히 향상되었다. 120 nm에서는 약 70 W/m·K 수준이었으나, 2 µm 두께에서는 190 W/m·K에 달해 bulk AlN(321 W/m·K)의 60%에 근접하였다. 두께가 얇을수록 경계면 포논 산란이 지배적이었으며, 두꺼워질수록 Umklapp 산란이 주된 메커니즘으로 전환돼 열전도도가 증가한다는 물리적 해석이 제시되었다. 이러한 열전도도 향상은 고전력 동작 시 열 저항을 감소시켜 장치 온도 상승을 억제하고, 신뢰성을 높이는 데 기여한다.

종합적으로, 얇은 AlN 완충층은 전자 이동도와 표면 품질에서 우수하지만 열전도도가 낮아 고전력 응용에 제한이 있다. 반면, 다층 구조를 이용한 두꺼운 AlN 완충층은 응력 완화와 열전도도 향상을 동시에 달성하면서도 전기적 성능 저하를 최소화한다. 따라서 실제 GaN HEMT 설계에서는 120 nm550 nm 사이의 얇은 단일층보다는 1 µm2 µm 다층 구조를 채택하는 것이 전기·열 성능의 최적 균형을 제공한다는 결론을 도출할 수 있다.