기록적인 항복 전압을 가진 다이아몬드 트랜지스터

일본의 산업기술총합연구소(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)의 연구진은 다이아몬드 금속-반도체 전계효과 트랜지스터(diamond metal-semiconductor field-effect transistor, MESFET)에서 가장 높은 항복 전압을 기록하는데 성공했다.

원칙적으로, 다이아몬드 트랜지스터는 높은 항복 전계, 높은 열전도율, 낮은 유전율, 높은 벌크 캐리어 이동도 등의 장점을 가지고 있다. 이러한 재료 특성들은 고전력과 저손실 또는 고전력과 고주파수 등의 높은 성능을 가진 전자장치를 이끌 수 있다. 고온 작동은 복잡하고 고가인 열 관리 필요를 감소하거나 없애는 관점에서 조사되었다.

MESFET는 반절연성 Ib(001) 합성 다이아몬드 기판 위에 마이크로파 플라즈마 보조 화학 기상 증착(microwave plasma-assisted chemical vapor deposition) p-형 에피택셜(epitaxial) 재료로 제조되었다(그림 1). 탄소원은 메탄이고 p-형 광 도펀트는 붕소이다.

이번 연구진은 제곱센티미터당 ~10^15 원자 수준을 가진 붕소 도핑을 실시했다. 낮은 도핑 수준은 박막 품질과 쇼트키 접촉의 저하를 방지할 목적으로 이루어졌다. 트랜지스터는 중심에 옴 드레인 접촉, 외부에 소스 접촉, 소스와 드레인 사이에 아주 얇은 환형의 쇼트키 게이트를 가진 원형의 ‘코르비노 유형(Corbino type)’으로 구성되었다. 옴 금속은 티타늄-금이었다.

쇼트키 게이트 금속 적층은 백금/금 다중층으로 구성되었다. 게이트 영역은 게이트 금속 접촉을 형성하기 전에 오존 속의 자외선으로 노출시켰다. 전처리는 에피택셜 층의 표면 결합이 안정적인 산소 종단(oxygen termination)을 가지도록 디자인되었다.

소스-게이트 거리는 5μm로 고정되었다. 게이트 길이와 게이-드레인 거리는 다양한 성능 특성의 최적화가 가능하도록 변화되었다. 20μm-게이트-길이 장치들(게이트-드레인 30μm)의 최대 드레인 전류와 최대 트랜스컨덕턱스(peak transconductance)는 온도가 상온에서 300°C까지 올라갈 때 증가했다. 드레인 전류는 각각 ?0.06mA/mm과 ?1.23mA/mm이었다. 해당 트랜스컨덕던스는 9.7μS/mm과 61μS/mm이었다. 전류의 증가는 0.36eV의 붕소 어셉터 수준에서 홀의 더 큰 열적 활성화에 기인한다. 드레인 전류를 향상시키는 또 다른 요인은 고온에서의 낮은 옴 접촉 저항이다.

기생 저항(parasitic resistance)을 분석함으로써, 이번 연구진은 300℃에서 143μS/mm의 트랜스컨덕턴스의 값을 얻었다. 이것은 상온에서 29μS/mm보다 4.9배의 값이다.

이번 연구진은 향상된 전류 반응이 감소된 게이트 길이, 소스-게이트 갭 속의 기생 저항, 옴 접촉 저항을 필요로 한다는 것을 발견했다. 장치의 임계 전압은 2.7V이다. 온/오프 전류비는 상온에서 ~10^7이었는데, 이것은 300℃에서 ~10^3로 감소했다. 300℃에서 훨씬 낮은 비율은 쇼트키 접합의 증가된 게이트 누설에 기인되었다.

항복(breakdown)은 누설 전류를 줄이기 위해서 50V의 게이트 전위에서 평가되었다. 수많은 20μm-게이트-길이 장치들이 조사되었다(그림 2). 30μm-게이트-드레인 거리를 가진 항복은 1530V에서 발생되었다. 이것은 이전에 보고된 것보다 2.5배 더 높다. 이번 연구진은 1530V의 항복 전압이 다이아몬드 FET에서 가장 높은 것이라고 주장했다. 이전에, 다이아몬드 트랜지스터 속의 항복 전압은 700 V로 제한되었다. 1530V의 성능은 갈륨 질화물(GaN) 기반의 장치에서 달성되는 것과 거의 유사했다.

항복이 발생한 후에, 이후의 테스트는 임계 손상(critical damage) 때문에 항복 전압에서 30% 이하의 저하를 보였다. 항복을 위한 임계 전기장의 추정치는 실리콘의 임계 전기장보다 더 높았지만 다이아몬드의 이상적인 수치보다 5-10배 더 낮았다. 이것은 더 향상될 여지가 있다는 것을 보여준다. 이 연구결과는 저널 IEEE Electron Device Letters에 “Diamond Metal?Semiconductor Field-Effect Transistor With Breakdown Voltage Over 1.5 kV”라는 제목으로 게재되었다(10.1109/LED.2014.2356191).

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 기록적인 항복 전압을 가진 다이아몬드 트랜지스터