A study of vertical PIN structure with intrinsic AlGaN drift layer grown using metal-organic chemical vapor deposition = 유기 화학 기상 증착을 이용하여 성장된 진성 AlGaN 드리프트층을 갖는 수직 PIN 구조에 관한 연구
저자
발행사항
시흥 : 한국공학대학교 일반대학원, 2024
학위논문사항
학위논문(석사)-- 한국공학대학교 일반대학원 : 나노반도체공학과 2024. 2
발행연도
2024
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
경기도
형태사항
94 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 남옥현
UCI식별코드
I804:41069-200000733071
소장기관
In this study, an AlGaN drift layer was incorporated into the vertical PIN diode structure using metal-organic chemical vapor deposition (HT-MOCVD) to achieve higher breakdown voltage characteristics compared to the conventional GaN drift layer. To achieve high breakdown voltage characteristics in conventional vertical GaN PIN diode a thick drift layer is essential. Additionally issues arise from current crowding effects occurring at the interface between Mg-doped p-type GaN and the drift layer, leading to early breakdown of the device. To address these issues, we applied AlGaN with a wider band-gap to the drift layer and etched Mg-doped p-type GaN into a 12.9˚ bevel shape using ICP-RIE. However, due to lattice mismatch between GaN substrate and AlGaN, we grew AlGaN with a maximum of 4 % Al.
We grew GaN, AlGaN with 2 %, and 4 % Al on a bulk n-type GaN substrate by adjusting the TMAl flow. As the Al ratio in the drift layer increased, we observed a degradation in surface root mean square (RMS) values due to the strong bond strength of AlN. Additionally, Cathodo-Luminescence (CL) revealed that AlGaN with 4 % Al had 9 % higher defect density than GaN. Photoluminescence (PL) measurements at 213 nm and low-temperature PL at 13 K showed a decrease in defect-related emissions, such as Yellow-Luminescence (YL) and Blue-Luminescence (BL), with increasing Al content.
Comparative analysis of device characteristics based on the Al ratio in the drift layer using B1505A revealed approximately 10 % higher breakdown voltage (Vbr) characteristics in AlGaN with 4 % Al compared to GaN. Consequently, in a vertical PIN diode with a 20 ㎛ thick drift layer of Al0.04Ga0.96N a BV of 2540 V and an on-resistance (R) of 7.4 mΩ-cm2 were achieved, demonstrating superior Vbr characteristics compared to other groups. In conclusion, an improvement in breakdown voltage and leakage current characteristics of the device was observed with an increasing Al ratio in the drift layer. Further research is needed to enhance the DC characteristics of the device by applying field plate and passivation technologies, as well as optimizing the growth of p-type GaN to improve on-resistance characteristics.
본 연구에서는 유기 화학 기상 증착법 (MOCVD) 을 사용하여 수직 PIN 다이 오드 구조에 AlGaN 드리프트 층을 도입하여 기존의 GaN 드리프트 층과 비교 하여 높은 항복 전압 특성을 달성하였습니다. 일반적인 수직 GaN PIN 다이오드에서 높은 항복 전압 특성을 달성하기 위해 서는 두꺼운 드리프트 층이 필수적입니다. 또한, Mg 도핑된 p형 GaN과 드리프 트 층 간의 인터페이스에서 발생하는 전류 집중 효과로 인해 소자의 조기 파괴 현상이 발생하는 문제가 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 우리는 AlGaN 을 드리프트 층에 적용하고 ICP-RIE를 사용하여 Mg 도핑된 p형 GaN을 12.9˚ 각도의 베벨 형태로 에칭했습니다. 그러나 GaN 기판과 AlGaN 간의 격자 불일 치로 인해 우리는 최대 4% Al을 포함한 AlGaN을 성장시킬 수 있었습니다.
우리는 TMAl 유량을 조절하여 n형 GaN 기판 위에 GaN, AlGaN (Al 함량 2 % 및 4 %)을 성장했습니다. 드리프트 층에서 Al 비율이 증가함에 따라 AlN의 강한 결합력으로 인해 Al 표면 확산 길이가 감소하여 표면의 평균 제곱근 값 (RMS)이 악화되는 것을 관찰했습니다. 또한, Cathodo-Luminescence (CL)을 통 해 Al 함량이 4 %인 AlGaN이 GaN보다 9 % 높은 결함 밀도를 가진 것을 확인 했습니다. 213 nm에서의 Photoluminescence (PL) 및 13 K에서의 저온 PL 측정 에서는 Al 함량이 증가함에 따라 Yellow-Luminescence (YL) 및 Blue-Luminescence (BL)과 같은 결함 관련 방출이 감소하는 것을 확인 했습니다.
B1505A 반도체 분석기를 사용한 드리프트 층 내 Al 함량을 기반으로 한 소자 특성의 비교 분석 결과, 4 % Al을 포함한 AlGaN이 GaN에 비해 약 10 % 높은 항복 전압 (Vbr) 특성을 나타냈습니다. 또한, Al0.04Ga0.96N 드리프트 층이 20 ㎛ 두께의 수직 PIN 다이오드에서 2540 V의 항복 전압 및 7.4 mΩ-cm2의 온저항 (Ron)을 달성하여 다른 그룹과 비교하여 우수한 항복 전압 특성을 나타냈습니 다.
결론적으로, 드리프트 층 내 Al 비율이 증가함에 따라 소자의 항복 전압 특성 과 누설 전류 특성이 향상되었으며 추후 연구를 통해 field plate와 passivation 기술을 적용하여 소자의 DC 특성을 향상시키고 p-type GaN 성장 최적화를 통 해 온저항 특성을 향상할 필요가 있습니다.
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