In this thesis, GaN PIN diodes with high performance have been proposed and demonstrated, which are implemented by using the III-V semiconductor fabrication facilities at KAIST.
In recent years, there has been renewed interest in the development of novel high-power electronic devices for the wide range of wireless communication applications. Gallium nitride and its related alloys are widely acknowledged as prime candidates for the high power microwave applications due to the material-related excellent properties such as high breakdown field, high saturation velocity and high operating temperature. Among various kinds of GaN-based electronic devices for high power applications, GaN PIN diodes are expected to show higher performances such as low insertion loss, high isolation and high power handling capabilities.
The performances of the devices fabricated from GaN and related compounds are strongly affected by the resistance caused by electrical contacts, especially the p-type ohmic contact. In this work, three GaN PIN epitaxial structures which contain different $p^+$ capping layers are proposed and designed to obtain the low contact resistance of the p-type GaN. The characteristics of the proposed GaN PIN diodes have been theoretically analyzed and simulated by using the two-dimensional device simulator (SILVACO Atlas).
Next, important fabrication steps including dry etching of mesa structures and formation of ohmic contacts are optimized for improving the performances of the GaN PIN diodes. The optimized mesa etching process is achieved by $Cl_2$ (15 sccm) based neutral beam etching technology with the RF power of 600 eV, etching rate of 400 $\AA /min$, and etching slope of 75°. The atomic force microscope (AFM) study shows that neutral beam etching does not make the surface rough and the root mean square (RMS) roughness of the etched GaN surface is about 10 nm. Before thermal alloying, the current-voltage (I-V) characteristics of Ni/Au (200/800 $\AA$) contact on $p^+$ capping layers show non-ohmic behavior. However, as the alloying temperature increases, the I-V curves show the characteristics of ohmic contact. The specific p-ohmic resistance as low as $1.3 \times $10^{-3}$ \Omega·cm^2$ was obtained at the alloying temperature of 600℃ for 5 min in $N_2$ ambient. At the same RTA conditions with p-ohmic contact case, specific n-ohmic resistance is $8 \times $10^{-5}$ \Omega ·cm^2$ by deposition of Ti/Al/Ni/Au (200/700/200/700 $\AA$) contact.
Using the optimized fabrication processes, the GaN PIN diodes are fabricated and measured. The DC characteristics of the GaN PIN diodes exhibited the reverse breakdown voltage as large as $V_{RB}$ ~ -280 V and the forward turn-on voltage as low as 3.75 V at the typical turn-on current density I ~ 100 $A/cm^2$. The RF characteristics of the fabricated GaN PIN diodes are derived from the measurement results of S-parameters. The developed GaN PIN diode showed a 33.63 $\Omega$ on-state resistance at the typical forward current density I ~ 1000 $A/cm^2$ with a 47.51 fF off-state capacitance at the reverse bias voltage of V ~ -25 V, which correspond to the switching cut-off frequency of 99.61 GHz. The GaN SPST PIN diode switch using series configuration demonstrated the insertion loss of 2.42 dB and the isolation of 12.15 dB at 10 GHz which is center frequency of the X-band. The good RF performance and broadband characteristics have been achieved from the fabricated GaN PIN diodes. These results indicate that the proposed GaN PIN diode is very promising for high-power switching T/R modules for microwave applications.
본 연구를 통해서, KAIST 내 화합물반도체 공정 장비를 이용하여 고성능 GaN PIN diode 소자가 제안되고 구현되었다.
최근 들어 다양한 분야의 무선통신 응용을 위한 고성능 전력 소자에 대한 관심이 증가하고 있다. 질화갈륨 기반 물질은 높은 파괴전압, 높은 포화속도, 고온 동작 특성과 같은 물질 자체의 특성으로 인해 고전력 마이크로파 응용에 적합하다. 다양한 질화갈륨 기반 소자 중에서 질화갈륨 PIN 다이오드는 낮은 삽입손실, 높은 차단특성, 고전력 특성을 낼 것으로 기대된다.
질화갈륨 기반 소자의 성능은 전기적 접합 저항에 의해 좌우되며, 특히 p-ohmic 저항의 영향을 많이 받는다. 이번 연구를 통해서 p-ohmic 저항을 낮추기 위해 서로 다른 p-capping 층을 갖는 세 가지 질화갈륨 PIN 에피구조가 설계되었다. 제안된 질화갈륨 PIN 다이오드의 성능이 이론적인으로 분석되고 및 SILVACO 시뮬레이션이 수행되었다.
다음으로 질화갈륨 PIN 다이오드 소자의 성능을 향상시키기 위해 건식 식각 및 저항성 접합과 같은 주요 공정 조건이 최적화되었다. 최적화된 mesa 식각 공정은 염소 기체 (15 sccm)기반 중성빔 식각 기술을 통해 이루어졌으며, RF 파워는 600 eV, 식각 속도는 400 $\Aring /min$, 식각 기울기는 75° 이었다. AFM 분석을 통해 중성빔 식각 이후 질화갈륨 표면의 RMS roughness가 10 nm 정도로 매끄러운 것을 확인하였다. Ni/Au (200/800 $\Aring$) 금속을 이용한 p-contact은 RTA 공정 이전에는 비저항 특성을 나타내었으나, RTA 공정을 통해 저항성 특성을 나타내었다. 질소 분위기에서의 600℃ RTA 공정을 5분 수행하여 $1.3 \times 10^{-3} \Omega·cm^2$의 specific p-contact 저항값을 얻었다. 이와 동일한 RTA 공정 조건에서 n-ohmic contact 저항은 Ti/Al/Ni/Au (200/700/200/700 $\Aring$) 금속에서 $8 \times 10^{-5} \Omega·cm^2$의 specific p-contact 저항값을 얻었다.
이와 같이 최적화된 공정 조건을 사용하여 실제로 질화갈륨 PIN 다이오드 소자를 제작하고 측정하였다. 질화갈륨 소자의 DC 특성으로는 -280V의 파괴전압을 가졌으며 3.75V의 도통전압을 나타내었다. S-parameter 측정을 통해 RF 특성까지도 분석할 수 있다. 제작된 질화갈륨 PIN 다이오드 소자는 33.63 $\Omega$ 의 on-resistance 및 47.51 fF의 off-capacitance를 나타내었으며, 이를 통해 성능지수인 스위칭 차단주파수를 계산하면 99.61 GHz가 된다. 질화갈륨 PIN 다이오드에 series configuration을 사용하여 구성한 SPST 스위치 소자는 X-band의 중심주파수인 10 GHz에서 2.42 dB의 삽입손실 및 12.15 dB의 차단특성을 나타내었다. 제작된 질화갈륨 PIN 다이오드가 우수한 RF 특성 및 광대역 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과들은 질화갈륨 PIN 다이오드가 마이크로파 응용의 고전력 스위칭 소자에 적합한 소자임을 증명하는 것이다.
