밀리미터파 대역(W 대역: 75–110GHz; E-밴드: 60–90GHz), GaN 기반 HEMT의 주파수 수치(ft 및 fmₐₓ)는 게이트 길이(Lg)와 게이트-채널 거리(dge) 사이의 종횡비에 크게 의존합니다. Lg가 서브마이크론에서 심지어 100나노미터 크기로 축소됨에 따라, 단채널 효과를 억제하려면 동시에 dge를 낮춰야 하며, 이는 초박형 장벽 구조를 요구합니다.

기존 AlGaN/GaN 이종접합은 이 시나리오에서 본질적인 물리적 한계에 직면합니다: 장벽 두께가 10nm 이하로 떨어지면 금속-압전 분극에 의해 유도된 2차원 전자기체(2DEG) 시트 밀도가 기하급수적으로 감소하여 심각한 채널 전도도 열화가 발생합니다. 반면, InAlN 삼원 합금은 약 17%–18%의 In 조성이 GaN과 격자 매칭되어 있으며, 자발적이고 압전적인 분극이 같은 두께의 AlGaN보다 훨씬 강합니다. 이 독특한 특성 덕분에 InAlN/GaN HEMT 이종접합은 5–6nm의 초얇은 장벽에도 불구하고 높은 2DEG 밀도(>10¹³cm⁻²)를 유지할 수 있어, 밀리미터파 장치의 스케일링 병목 현상을 극복하는 이상적인 재료 플랫폼을 제공합니다.

파워 웨이퍼텍 그룹은 금속-유기 화학 기상 증착(MOCVD) 기술을 사용하여 실리콘(Si), 사파이어, 실리콘 카바이드(SiC) 기판 위에 InAlN/GaN 이종접합 에피택셜 웨이퍼를 개발했습니다. 우리는 격자 매칭 조성부터 고함량 조성까지, 다양한 주파수 및 전력 적용 시나리오에 맞춘 맞춤형 설계를 지원합니다. 사파이어 기반의 InAlN/GaN HEMT 외출 구조를 구체적인 예로 들면:

1. 사파이어 기반 InAlN/GaN HEMT 에피택셜 명세서

같은 두께의 AlGaN 장벽과 비교했을 때, InAlN/GaN 웨이퍼는 동일한 게이트 제어 거리 내에서 채널 전하 밀도가 우수한 성능을 보여 트랜스컨덕턴스와 컷오프 주파수 전위가 개선됩니다.

2. InAlN 에피택시에서의 상 분리 억제 및 변형률 공학

InAlN의 MOCVD 성장은 열역학적 불쾌화 간격 한계에 직면하며, In-풍부 영역에서는 본질적으로 상 분리 경향이 나타납니다(xIn> 0.5). 2차 단계 침수를 피하고 장벽층의 구조적 완전성을 보장하기 위해, 우리는 공정 계획에 다음과 같은 핵심 조치를 통합했습니다:

(1) 성장 온도 및 원천 흐름의 결합 제어: 성장 온도 창(~706°C)과 TMIn/TMAl 몰 유량 비율을 정확히 설정함으로써, In 조성은 격자 매칭 범위 내에 고정되어 열역학적으로 불안정한 혼합성 갭 영역을 피합니다. XRD(0002) 흔들리는 곡선에서는 2차 상 회절 피크가 관찰되지 않아 단상 에피택시를 확인했습니다.

(2) 기판 방향 공학: 축 방향 및 축 외 4° 사파이어 기판의 효과를 모두 검증했습니다. 축 방향 기판은 전체 나사산 전위 밀도를 줄이는 데 유리하며, 축 반대 기판은 N-극성 표면에서 힐록 형성을 억제할 수 있습니다.

(3) 현장 Si₃N₄ 패시베이션 층 통합: 약 5nm 두께의 선택적 현장 Si₃N₄ 유전층을 적분할 수 있습니다. 이 얇은 층은 MIS 게이트 유전체 또는 표면 패시베이션 층으로 작용하여 표면 상태를 효과적으로 고정하고 RF 손실을 줄입니다. 두께가 매우 얇기 때문에 이 유전층은 선택적 건식 식각으로 제거하거나 직접 관투하여 오믹 접촉을 형성할 수 있어 다양한 고객 제작 공정 경로와 호환됩니다.

3. InAlN/GaN HEMT 장치 수준 성능 검증

Sakharova 등(2018)은 InAlN/AlN/GaN 온사파이어 에피웨이퍼를 기반으로 HEMT 소자(Lg = 0.5μm, Wg = 200μm, 소스-드레인 간격 = 4μm)를 제작했습니다. 펄스 I-V(펄스 폭 250ns) 및 DC 시험 결과는 다음과 같습니다:

최대 포화 드레인 전류 (Id, max): ≥1.27A/mm

최대 초전도도(gm, max): ≥450mS/mm

임계 전압 균일성: 웨이퍼 내 표준 편차의 Vth

소신호 RF 테스트(Vds = 15–20V, Id = 0.1A/mm)는 동일 구조의 AlGaN 기준 샘플과 비교했을 때, InAlN/GaN 샘플의 fmax가 In 조성 도입으로 크게 증가함을 보여줍니다. 이러한 성능 이점은 향상된 게이트 종횡비와 초얇은 장벽 아래의 채널 가속 강화에 기인합니다. 또한, 현장 Si₃N₄ 게이트 유전체를 사용하는 MIS-HEMT 버전은 임계 전압에서 3–4V의 추가 양의 이동을 제공하여 향상 모드 장치 설계에 유연성을 제공합니다.

저희 회사는 연구 및 개발 규모의 소규모 배치부터 생산 규모의 엔지니어링 로트까지 다양한 에피택셜 공급 능력을 제공하며, 고객 장치의 목표 주파수 대역과 전력 수준에 따라 유연한 매개변수 조정이 가능합니다. 맞춤형 에피택시얼 솔루션이 필요하시면 저희 기술 영업팀에 문의해 주시기 바랍니다.

참고문헌:

1. 하제뇌를, S., 블라호, M., 도브로츠카, E., 구크만, F., 쿠체라, M., 나다즈디, P., ... & 쿠즈미크, J. (2023). 금속 유기 화학 기상 증착에 의한 N-극성 In-Rich InAlN의 성장. 반도체 공정 소재 과학, 156, 107290.

2. 사하로프, A. V., 룬딘, W. V., 자바린, E. E., 자크하임, D. A., 우소프, S. O., 차츠류니코프, A. F., ... & 벨리코프스키, L. E. (2018). HEMT용 초박 장벽 InAlN/GaN 이형구조. 반도체, 52(14), 1843-1845.