In this dissertation, a new GaAs field effect transistor is proposed and fabricated by using selective metal organic chamical vapor deposition(S-MOCVD). The new device is named as Floated Electron Channel Field Effect Transistor(FECFET) because the active channel is separated from the semi-insulating substrate. In order to achieve a novel device structure with very short channel length, the facet shapes dependence on the growth conditions of S-MOCVD is basically used. The lateral growth parameters for the device design are characterized and modeled using the atomic arrangement. From the dc measurement of the fabricated FECFET, it is confirmed that the device has a few advantages as follows. The high transconductance is obtained by achieving the short channel geometry, which is resulted form the carrier saturation velocity enhancement or the velocity overshoot effect. Because the thick n$^+$-layer for source and drain ohmic contacts are separated by a small distance under the gate, the source and the drain resistance are significantly reduced. A low output conductance is also achieved by eliminating the current path flowing through the buffer layer. It is also demonstrated that the device has negligible side-gate effect and the threshold voltage of the device can be controlled by both the recess depth and the mask size. When the device is measured at the microwave frequency range, the current gain cutoff frequency is higher than that of the conventional MESFET at the same gate dimension. As an example, a 1.3$\mu$m-gate FECFET had a current gain cutoff frequency of 19GHz and a maximum oscillation frequency of about 40GHz. Using the small signal equivalent circuit topology of the conventional MESFET's, the parameters of the fabricated devices are extracted based on the measured s-parameters. From the analysis of the extracted circuit parameters, it is found that one of the most effective circuit parameters is the gate to drain capacitance. The noise properties of the fabricated devices are also characterized. At the operating frequency of 12GHz, a 1.3$\mu$m-gate device had a minimum noise figure of 2.23dB and an associated power gain of 4.0dB. Finally, a Dual-Gate FECFET(DGFECFET) is described. This device has remarkably reduced S$_{12}$ compared with that of single gate FECFET. It is also shown that a DGFECFET has improved power gain at low frequency and stability. The power gain is controlled from -4dB to 15dB at the 6.5GHz by varying the second gate dc bias.
본 논문에서는 새로운 구조의 GaAs트랜지스터가 제안되고 제작된 결과를 보였다. 소자의 제작에는 기본적으로 선택적 유기금속화학 증착법(S-MOCVD)이 이용되었다. 소자의 활성층이 기판으로부터 분리되어 있고 전계효과에 의해 동작되므로 부동전자채널 전계효과 트랜지스터 (FECFET)라 불리워진다. 유효 채널길이를 줄이기 위해서 선택적 단결정 성장의 중요한 성질 즉, 기판 표면에 형성된 마스크에 의해서 부분적으로 성장된 단결정 성장층 단면의 모양이 성 장조건에 따라 고유한 모양을 갖는다는 특성이 이용되었다. 실제 소자를 설계하고 제작하는데 있어서 기본적인 인자인 측방향 성장 인자를 실험적으로 보이고 간단한 원자배열 모델을 이용하여 그 원리를 설명하였다. 제작된 소자의 dc 특성 측정으로부터 다음의 몇가지 잇점을 확인하였다. 먼저, 소자의 구조에서 볼 수 있듯이 채널의 길이를 줄임으로써 채널을 통과하는 캐리어의 이동거리 및 시간을 줄여 캐리어의 포화속도 증가를 실현시켜서 큰 전달컨덕턴스를 얻었다. 또한 소오스 및 드레인의 오옴접촉을 위한 고농도로 도핑된 두꺼운 n$^+$층이 게이트의 바로 아래에서 짧은 거리를 두고 형성되어 있으므로 소오스 및 드레인 저항이 상당히 작았다. 일반적인 FET에서의 버퍼층을 통한 전류통로를 없앰으로써 작은 출력 컨덕턴스를 실현하였다. 그리고 측게이트 효과를 거의 갖지 않음을 보였고 소자의 문턱전압은 마스크의 폭 및 높이에 의해서 조절이 가능함을 보였다. 소자의 Knee 전압이 0.3V-0.5V의 값을 보였는데 이는 고전력 소자의 효율 향상에 유효하게 쓰일 수 있음을 보여주는 것이라 하겠다. 초고주파 영역에서의 특성을 조사해본 결과 전류이득 차단 주파수는 같은 게이트 길이를 가진 일반적인 MESFET에 비해 우수한 것으로 나타났다. 예를 들면 1.3$\mu{m}$의 게이트 길이를 가진 소자의 전류이득 차단 주파수는 19GHz였고 전력이득 차단 주파수는 40GHz 정도였다. 일반적인 MESFET의 소신호 등가회로 모델을 기초로 하고 측정한 S-인자를 이용하여 제작된 소자의 회로 인자를 축출해 본 결과 제작된 소자도 역시 일반적인 13 요소로 이루어진 등가회로에 의해 모델됨을 확인하였다. 축출된 회로 인자로부터 소자의 고주파 동작에 가장 영향이 큰 인자는 게이트와 드레인 사이의 용량 성분임을 알 수 있었고 이는 기본적으로 소자의 구조에 기인함을 보였다. 소자의 잡음 특성을 측정한 결과 12GHz의 동작 주파수에서 최소 잡음지수가 2.23dB였고 이때의 전력이득은 4.0dB였다. 마지막으로 이중(Dual) 게이트 FECFET의 제작결과를 보였는데 단일 게이트FECFET에 비해 S$_{12}$가 상당히 줄어드는 것을 확인하였다. 이는 단일 게이트 FECFET에서의 게이트와 드레인 사이의 용량 성분 효과가 상당히 줄어들었음을 보여주는 것이다. 또한 비교적 낮은 동작 주파수에서 전력이득과 안정계수가 향상됨을 보였고 6.5GHz의 동작 주파수에서 두번째 게이트의 dc 전압에 의해 소자의 전력 이득이 -4dB에서 15dB까지 변화됨을 보였다. 소자의 제작공정을 좀더 향상시킨다면 즉, 금속 게이트 양쪽의 반도체 부분을 식각해낸다면 소자의 동작특성의 향상은 물론, 저잡음 소자나 고전력 소자로써 쓰일 수 있으리라 생각된다.
