갈륨나이트라이드 고성능 트랜지스터에 대한 내용

 현재 대중적으로 쓰이고 있는 트랜지스터는 MOSFET입니다. 

 

 모스펫은 위에 있는 그림처럼 Oxide밑에 있는 surface에 Minority carrier가 Inversion된 channel을 형성합니다. 그런데 일반적인 모스펫은 기판에 도핑이 되어있기 때문에 Channel에서는 Ionized atom이 존재하고 있습니다. 이 Ionized atom이 존재하면서 전자가 채널을 통과할 때 정전기적인 힘에 의한 Ionized impurity scattering을 겪을 수 밖에 없습니다. 따라서 전자가 이곳 저곳에서 scattering을 겪으니 mobility는 감소할 수 밖에 없으며 실제 Si이란 물질이 가지는 전자의 mobility보다 훨씬 떨어지는 mobility를 채널의 전자가 가지게 됩니다. 

 

 

 

그럼 여기서 의문이 하나 생길 수 있습니다.

 

 

 

채널에서 ionized impurity scattering을 하지 않고 빠르게 전자가 이동할 수 있는 소자는 없을까?

 

 

 

 이 질문에서 나온 것이 HEMT입니다.

 

 HEMT는 High Electron Mobility Transistor의 약자로 Channel에서 Ionzied impurity scattering을 겪지 않아 높은 전자 mobility를 가지는 소자입니다.

 

 

 

 

 

 Structure of AlGaN/GaN HEMT

 

 

 

 구조에서 보면 알겠지만 도핑을 하지 않았음에도 불구하고 AlGaN과 GaN의 Interface에 가까운 곳에 channel이 형성되어 있음을 알 수 있습니다. 이 채널은 HEMT는 2-DEG라고 하는데 그 이름은 특성에 기인합니다. 나중에 다시 한번 언급할 것이지만, 간단히 말씀드리면 2-DEG는 전자가 너무 많이 가스처럼 모여있는 곳이라고 보시면 됩니다. 

 

 

 

 그리고 doping이 되어있지 않으므로 2-DEG 채널에서 전자가 이동할 때 ionized impurity scattering을 겪지 않으므로 당연히 기존의 Si MOSFET의 mobility보다 수 배 빠른 소자가 됩니다. 이런 2-DEG 특성을 활용하여 AlGaN/GaN HEMT는 High frequency 영역에서 동작하는데 아주 좋은 특성을 보인다고 합니다.

 

 

 

 

현재 대중적으로 사용되고 있는 Si의 결정구조는 Diamond 구조를 가집니다. 

 

하지만 여기서 다룰 GaN의 결정구조는 Diamond 구조가 아니라 wurtzite 구조를 가집니다. 

 

 

 

wurtzite 구조에 관한 설명입니다.

 

 

 

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId2304488&cid42419&categoryId42419 

 

 

우르츠광형 구조

AB형 화합물(A원소와 B원소의 1 : 1 화합물)의 결정 구조물의 하나. 황화아연 ZnS의 고온 안정형인 우르츠광에 의해 대표된다. 육방 격자로 ...

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이런 구조로 원소가 결합하기 때문에 GaN는 결합할 때 부터 자발적으로 분극을 가지게 됩니다. 

 

이를 Spontaneous Polarization이라고 합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

도식화한 그림을 보면 다음과 같습니다.

 

 

 

 각각이 (+),(-)극을 가지는데 점으로 찍힌 부분의 Ga과 N의 결합들은 서로의 Charge를 상쇄해주게 됩니다. 주황색으로 빗금친 부분이 상쇄되었다는 것을 뜻하는 것입니다. 이렇게 다 상쇄가 되는 부분은 문제가 없지만 Ga Face와 N의 Face는 여전히 Charge가 상쇄되고 있지 않은 상태입니다. 따라서 현재 가장 바깥 쪽에 있는 각각의 면은 Spontaneous Polarization이 되어있는 상태입니다.

 

 

 

 보통 이런 상태로 두었을 때 양극의 전압을 측정하면 수백 Volt의 전압이 측정된다고 합니다. 그에 수반되는 Electric Field 역시 대단하겠지요.소자도 만들지 않았고 단지 화학적 결합만 발생했는데 이런 상태면 아무래도 소자로 사용할 수 없는 상태입니다.

 

 

 

 그렇기 때문에 우리는 이 양극의 Polarization Charge를 Screening을 하여야 합니다.

 

 

 

여기서 이런 의문이 들 수 있습니다.

 

자연 상태에서도 GaN이 존재할텐데 이런 GaN 역시 강한 Charge를 가지고 있지 않을까?

 

라는 의문이요.

 

 

 

 다행스럽게도 자연 상태에서의 GaN은 자연적으로 Screening이 됩니다. 대기 중에 있는 여러 이온들, 예를 들면 H ion 같은 것들이 양극으로 charge에 의해서 끌려가서 상쇄시켜버립니다. 하지만 공정이 이루어지는 실험실은 미세 먼지조차 거의 없는 상태이므로 자연상태에서처럼 screening이 이루어지지 않습니다.

 

 

 

 그렇기 때문에 다른 방법으로 polarization charge를 screening 해야합니다.

 

제가 알기로는 두 가지의 방법이 있습니다.

 

 

 

 우선 Charge가 Screening되지 않은 GaN의 Band Diagram을 보시죠.

 

 

 

 

 

 

 

 컨덕션 밴드와 베일런스 밴드의 밴딩이 있는 것으로 보아 양단에 전위차가 존재하는 것을 알 수 있으며 그에 따른 Electric Field의 존재 역시 알 수가 있습니다. 우리의 목표는 이것을 Screening 하는 것입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 이것을 해결하는 첫 번째 방법은 바로 GaN을 계속 성장시키는 것입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 GaN을 계속 성장시키면 시킬수록 전위차가 더 증가하며(Ved, e filed, ddistance) 

 

 그에 따라서 GaN의 Valence band는 Fermi 레벨에 점점 접근하게 됩니다. 여기서 계속 GaN을 성장시키면 Fermi 레벨을 Valence Band가 능가하는 순간이 오게 될 것입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 바로 이런 순간이 되는 것입니다.

 

베일런스 밴드에는 현재 원자와 자유전자가 결합하고 있는 상태입니다. 그리고 페르미 에너지의 의미는 자유 전자가 존재할 확률이 50%인 지점입니다. 페르미 레벨을 넘은 베일런스 밴드가 있는 부분은 자유 전자가 존재할 확률이 50%를 넘는 부분입니다. 따라서 베일런스 밴드에 강하게 결합하고 있던 전자는 떨어져나와서 자유전자가 되는 것입니다. 

 

 

 

 그렇기 때문에 결국 Ga Face의 베일런스 밴드는 페르비 레벨에 한없이 가까워지는 형태를 가지게 될 것입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

이런 식으로요.

 

 

 

 

 

 

 

 베일런스 밴드의 아래에서 결합되고 있던 전자는 GaN가 성장하면서 에너지 상으로 베일런스 밴드에서 컨덕션 밴드로 올라오게 됩니다.

 

전자는 에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동합니다. 따라서 베일런스 밴드에서 올라온 전자는 자연스럽게 Ga면에서 N면으로 이동하게 됩니다.

 

 

 

 그러므로 Ga면에는 Ionized Atom이 남아있으면서 Ga면의 (-) Charge를 Screening해주게 되며 N면으로 이동한 자유전자들이 N면의 (+) Charge를 Screening 해주게 되는 것입니다.