Two-dimensional Simulation Study on Optimization of Gate Field Plate Structure for High Breakdown Voltage AlGaN/GaN-on-Si High Electron Mobility Transistors

The optimal geometry of the gate field plate in AlGaN/GaN-on-Si HEMT has been proposed using two-dimensional device simulation to achieve a high breakdown voltage for a given gate-to-drain distance. It was found that the breakdown voltage was drastically enhanced due to the reduced electric field at the gate corner when a gate field plate was employed. The electric field distribution at the gate corner and the field plate edge was investigated as functions of field plate length and insulator thickness. According to the simulation results, the electric field at the gate corner can be successfully reduced even with the field plate length of 1 ${\mu}m$. On the other hand, when the field plate length is too long, the distance between field plate and drain electrode is reduced below a critical level, which eventually lowers the breakdown voltage. The highest breakdown voltage was achieved with the field plate length of 1 ${\mu}m$. According to the simulation results varying the $SiN_x$ film thickness for the fixed field plate length of 1 ${\mu}m$, the optimum thickness range of the $SiN_x$ film was 200 - 300 nm where the electric field strength at the field plate edge counterbalances that of the gate corner.

고내압 전력 스위칭용 AlGaN/GaN-on-Si HEMT의 게이트 전계판 구조 최적화에 대한 이차원 시뮬레이션 연구

본 논문에서는 이차원 소자 시뮬레이션을 활용하여 주어진 게이트-드레인 간격에서 AlGaN/GaN-on-Si HEMT (high electron mobility transistor) 의 고항복전압 구현을 위한 게이트 전계판의 최적화 구조를 제안하였다. 게이트 전계판 구조를 도입하여 게이트 모서리의 전계를 감소시켜 항복전압을 크게 증가시킬 수 있음을 확인 하였으며, 이때 전계판의 길이와 절연막의 두께에 따라 게이트 모서리와 전계판 끝단에서 전계분포의 변화를 분석하였다. 최적화를 위하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 1 ${\mu}m$ 정도의 짧은 게이트 전계판으로도 효과적으로 게이트 모서리의 전계를 감소시킬 수 있으며 전계판의 길이가 너무 길어지면 전계판과 드레인 사이의 남은 길이가 일정 수준 이하로 감소되어 오히려 항복전압이 급격하게 감소함을 보였다. 전 계판의 길이가 1 ${\mu}m$ 일 때 최대 항복전압을 얻었으며, 게이트 전계판의 길이를 1 ${\mu}m$로 고정하고 $SiN_x$ 박막의 두께를 변화시켜본 결과 게이트 모서리와 전계판 끝단에서의 전계가 균형을 이루면서 항복전압을 최대로 할 수 있는 최적의 $SiN_x$ 박막 두께는 200~300 nm 인 것으로 나타났다.