초박형 버퍼와 편극 구배 AlGaN 폴FET, 초와이드 밴드갭 트랜지스터의 고전류·고주파·저열저항 구현

초록

본 논문은 초박형 의사결정성 AlGaN 버퍼와 편극 구배 채널을 이용한 Ultra‑Wide‑Bandgap AlGaN 폴FET를 구현한다. 800 mA/mm 이상의 전류 밀도와 26/28 GHz의 f_T/f_max를 달성했으며, 열저항을 12 K·mm/W로 크게 낮추었다.

상세 분석

이 연구는 UWBG AlGaN 트랜지스터의 핵심 과제인 전류 주입, 전계 관리, 열 관리 세 가지를 동시에 해결하는 새로운 에피택셜 설계와 디바이스 구조를 제시한다. 먼저 300 nm AlN 버퍼 위에 45 nm 두께의 의사결정성(pseudomorphic) AlGaN 버퍼를 삽입함으로써 격자 불일치에 의한 스트레스 완화와 동시에 열 전도 경로를 최소화하였다. 버퍼와 채널 사이에 4 nm UID Al₀.₅Ga₀.₅N 스페이서와 2.5 × 10²⁰ cm⁻³ Si 델타 도핑을 삽입해 AlN/AlGaN 계면에서 발생하는 음의 편극 전하를 보상하고, 과도한 전자 축적을 억제하였다. 채널은 Al 함량을 50 %에서 75 %까지 선형적으로 증가시키는 40 nm 편극 구배 구조로 설계되어 전자 밀도를 1.86 × 10¹³ cm⁻²까지 끌어올리면서도 높은 이동도(≈76 cm²/V·s)를 유지한다. MBE 성장 후 AFM에서 RMS 0.134 nm, HR‑XRD 및 RSM에서 완전 스트레인 상태를 확인해 고품질 결정성을 입증하였다. 디바이스는 L_g = 200 nm, L_sd = 1 µm, L_gd = 500 nm의 스케일링을 적용했으며, TLM으로 측정된 접촉 저항 4.8 Ω·mm와 시트 저항 4.36 kΩ/□는 아직 개선 여지를 남긴다. 전류‑전압 특성에서 I_max > 800 mA/mm, g_m ≈ 70 mS/mm, V_th ≈ ‑12 V를 기록했으며, f_T = 26 GHz, f_max = 28 GHz를 달성했다. 소신호 모델링을 통해 외부 저항에 기인한 기생 지연 3.6 ps와 게이트‑소스 정전용량에 의한 전이 지연 3 ps를 추출했으며, 이는 현재 L_g 스케일링 한계와 접촉 저항이 주요 병목임을 시사한다. 열 저항은 게이트 저항 온도계법(GRT)으로 측정했을 때 12 K·mm/W로, 동일 구조의 두꺼운 버퍼 HEMT(30 K·mm/W)보다 2.5배 낮았다. 이는 초박형 AlGaN 레이어가 열 전도 저항을 크게 감소시킨 결과이며, 향후 열 관리가 중요한 고전력 RF/밀리미터파 응용에 큰 장점을 제공한다.