본문내용
1. HEMT(High Electron Mobility Transistor)
1.1. 용어 설명
HEMT(High Electron Mobility Transistor)는 전자의 이동도가 높은 트랜지스터를 뜻한다. 일반적인 전계효과 트랜지스터(FET)의 특징이라 볼 수 있는 입력과 출력의 양 전극간에 흐르는 전류를 제3의 게이트 전극의 전압으로 제어 방식을 따르므로 HEMT는 일종의 FET 소자라고 볼 수 있다. 연산속도는 피코초에 이르며, 초전도물질을 이용한 조셉슨소자와 함께 차기 슈퍼 컴퓨터 연산처리 장치 (CPU:Central Processing Unit) 에 사용될 소자로 유력하다.
1.2. 개발 역사
HEMT는 일본의 후지쯔 사에 수석 연구원인 '미무라(三村高)'로부터 1979년에 개발되었다. 개발자는 회사에서 갈륨비소를 재료로 하여 MOS(금속산화막반도체)형의 FET를 제작하는 연구에 착수하고 있었는데 이 경우 전자의 속도가 원리적으로 실리콘의 전자 이동 속도보다 빠르기 때문에 산화막의 갈륨비소 표면에 전자를 유기할 수만 있다면 고속동작을 가능케 할 수 있다고 생각했다. 하지만 전자의 유기는 계속 실패하고 말았다. 개발자는 79년에 중요한 'Device Research' 회의에서 HEMT 개발의 중요한 거점이 되는 한 논문을 읽게 되는데 그 논문은 서로 다른 종류의 매우 얇은 반도체층을 교대로 겹친 초격자의 연구로 알루미늄 갈륨 비소 박막에 끼워진 갈륨 비소 박막에 전자가 축적된다는 기술이었다. 이 기술은 이미 초격자 분야에서는 알려진 사실이었다. 이런 계기로부터 출발해서 결국 발명에 이르렀고, 특허까지 받게 되었다. 또한 HEMT 개발 성공한지 10년 후인 1990년에는 IEEE(미국 전기전자기술자협회)에서 기념상을 수상하기도 한다.
1.3. 구조 및 동작 원리
1.3.1. HEMT 개발에 있어 GaAs 가 가지는 장점
HEMT 개발에 있어 GaAs가 가지는 장점은 다음과 같다.
GaAs는 직접천이형 반도체 물질로, 실리콘 반도체에 비해 전자 이동도가 5배에서 6배 가량 빠르다. 이는 GaAs가 고속 동작이 가능한 반도체 소자 제작에 유리하다는 것을 의미한다. 또한 GaAs는 전력 소비가 적고 고온에서 동작할 수 있다는 장점이 있다. 이와 같은 특성으로 인해 GaAs는 고주파 마이크로웨이브 및 밀리미터파 소자의 제작에 적합한 물질이다. 특히 CDMA, TDMA 등의 마이크로파 디지털 시스템에서 GaAs 소자는 우수한 성능과 효율을 보인다.
이러한 GaAs의 장점으로 인해 HEMT와 같은 고속 고주파 트랜지스터 개발에 GaAs가 활용되고 있다. GaAs HEMT는 실리콘 MOSFET에 비해 높은 전자 이동도와 낮은 잡음 특성, 우수한 고주파 특성을 가지고 있어 위성통신, 레이더, 군사 장비 등의 고주파 응용 분야에 널리 사용되고 있다.
1.3.2. 도핑 농도에 따른 캐리어 이동도의 비교 (at Silicon)
도핑 농도에 따른 캐리어 이동도의 비교 (at Silicon)에서는 실리콘 반도체에서의 도핑 농도 증가에 따른 캐리어 이동도의 감소 현상을 확인할 수 있다. 일반적으로 도핑 농도가 높아질수록 격자 결함이 증가하고 불순물 산란이 많아지면서 캐리어의 평균 자유 행로가 감소하게 된다. 이에 따라 캐리어 이동도가 급격히 떨어지게 된다.
특히 전자의 경우, 도핑 농도가 1015cm-3 수준에서는 1400cm2/V·s의 높은 이동도를 보이지만, 도핑 농도가 1019cm-3 수준으로 높아지면 이동도가 약 100cm2/V·s 수준으로 크게 감소하게 된다. 정공의 경우에도 유사한 경향을 보이지만, 전자에 비해 이동도 자체가 상대적으로 낮은 편이다. 도핑 농도 1015cm-3에서 정공 이동도는 450cm2/V·s 수준이며, 1019cm-3에서는 약 50cm2/V·s 수준으로 감소한다.
이러한 도핑 농도에 따른 캐리어 이동도의 감소 현상은 실리콘 반도체 소자 설계 시 고려해야 할 중요한 특성이다. 높은 도핑 농도가 요구되는 영역에서는 캐리어 이동도 저하로 인한 성능 저하가 발생할 수 있기 때문에, 이를 보완하기 위한 설계 기술이 필요하다.
1.3.3. HEMT 의 I-V 특성곡선의 예
HEMT의 I-V 특성곡선의 예는 HEMT 소자의 동작 특성을 보여주는 전형적인 그래프이다. 이 곡선은 HEMT의 게이트-소스 전압(VGS)에 따른 드레인-소스 전류(ID)의 변화를 나타낸다.
일반적으로 HEMT의 I-V 특성곡선은 다음과 같은 모습을 보인다. VGS가 0V에 가까울 때는 작은 전류가 흐르지만, VGS가 증가함에 따라 ID가 급격히 증가한다. 이후 VGS가 더 커지면 포화영역에 들어가 ID의 증가 기울기가 완만해진다. 한편 VGS가 감소하면 차단 영역으로 들어가면서 ID가 급격히 감소한다.
이러한 HEMT의 I-V 특성은 HEMT가 우수한 전자 이동도와 높은 주파수 특성을 가지고 있음을 보여준다. 특히 포화 영역에서 높은 전류 구동 능력과 낮은 온-저항 때문에 고주파 증폭기와 스위칭 소자 등에 많이 활용된다.
1.3.4. HEMT 샘플 사진
HEMT 샘플 사진을 보면, HEMT 소자의 제작을 위해 GaAs와 AlGaAs의 박막이 적층된 구조를 확인할 수 있다. HEMT는 이종접합 구조를 통해 진공관에 비해 더 작고 빠른 동작이 가능한 트랜지스터이다. HEMT 소자는 도핑된 AlGaAs층과 순수한 GaAs층의 계면에서 전자의 축적층이 형성되어 고속 동작이 가능하다. 이러한 구조적 특징을 바탕으로 HEMT는 전파 망원경, 위성 방송 수신기, GPS 등 고주파 통신 분야에 널리 활용되고 있다.
1.4. 소자 개발에 있어서의 경제적인 측면
현재 주종을 이루는 반도체의 재료는 Si 이므로 당연히 Si 를 중심으로 반도체 산업이 성장되어 있다. 그러므로 SiGe 을 기반으로 한 HEMT Device 구조는 여러 가지 이유에서 주요 관심대상이 되는 것은 당연하다. SiGe 기반 HEMT 은 현행 Si 반도체 제조 기술적용이 가능하다는 점에서 GaAs 나 InP 기반 HEMT 보다 기본적으로 제조가 보다 용이하다. 실제적인 경제성 측면 또한 SiGe 가 가지는 장점은 확실하다. 반도체 산업에서 Si 기반 디바...
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12