Simulation and analysis of DC characteristics in AlGaN/GaN HEMTs on sapphire, SiC and Si substrates

Sapphire SiC, Si 기판에 따른 AlGaN/GaN HEMT의 DC 전기적 특성의 시뮬레이션과 분석

In this paper, we report on the 2D (two-dimensional) simulation result of the DC (direct current) electrical and thermal characteristics of AlGaN/GaN HEMTs (high electron mobility transistors) grown on Si substrate, in comparison with those grown on sapphire and SiC (silicon carbide) substrate, respectively. In general, the electrical properties of HEMT are affected by electron mobility and thermal conductivity, which depend on substrate material. For this reason, the substrates of GaN-based HEMT have been widely studied today. The simulation results are compared and studied by applying general Drift-Diffusion and thermal model altering temperature as 300, 400 and 500 K, respectively. With setting T=300 K and $V_{GS}$=1 V, the $I_{D,max}$ (drain saturation current) were 189 mA/mm for sapphire, 293 mA/mm for SiC, and 258 mA/mm for Si, respectively. In addition, $G_{m,max}$ (maximum transfer conductance) of sapphire, SiC, Si was 38, 50, 31 mS/mm, respectively, at T=500 K.

본 논문에서는 최근 고출력 및 고온 분야의 반도체 분야에 널리 이용되고 있는 AlGaN/GaN 고 전자 이동도 트랜지스터 (High Electron Mobility Transistor, HEMT) 에 대해 DC (direct current) 특성과 열 특성을 기판을 달리하며 시뮬레이션을 수행하였다. 일반적으로 HEMT 소자의 전자 이동도 및 열전도 특성은 기판의 영향이 그 특성을 크게 좌우한다. 이러한 문제점으로 인해 GaN 기반의 HEMT 소자의 기판에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서, 일반적인 Drift-Diffusion 모델과 열 모델을 이용하여 Si, sapphire, SiC (silicon carbide)으로 각각 기판을 변화시키며 시뮬레이션을 하였다. 열 모델 시뮬레이션은 온도를 각각 300, 400, 500K로 변화시키며 그 결과를 비교, 해석 하였다. 전류-전압 (I-V) 특성을 T= 300 K, $V_{GS}$=1 V의 조건에서 시뮬레이션 한 결과, 드레인 포화전류 ($I_{D,max}$)의 값과 sapphire 기판은 189 mA/mm, SiC 기판은 293 mA/mm, Si 기판은 258 mA/mm 를 나타내었다. 또한 T= 500 K에서 최대 전달컨덕턴스($G_{m,max}$)는 각각 38, 50, 31 mS/mm 를 나타내었다.