[논문 리뷰] Diamond/c-BN HEMTs for power applications: A theoretical feasibility analysis

Namita Narendra, J. Narayan외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 29.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고전력 전자소자에서 다이아몬드의 n형 도핑 제한을 극복하기 위해 다이아몬드/c-BN 이종구조 형성장효과트랜지스터(HEMT)를 제안한다. 처음으로 원자적 수준의 DFT 계산과 장치 모델링을 통해 유형-I 밴드 정렬이 가능함을 입증하여 높은 2차원 전자기화 밀도(>5×10¹² cm⁻²)를 달성하고, 예측된 성능으로 10 A/cm의 전류 구동 능력, 0.05 mΩ·cm²의 온 저항, 300 GHz의 유일득이익 절단 주파수를 확보한다.

ABSTRACT

Diamond is a promising material for high-power electronic applications in both the dc and rf domains. However, the predicted advantages are yet to be realized for a number of technical challenges. In particular, n-type devices have not been feasible due to the large ionization energies and low thermodynamic solubility limits of n-dopants. Motivated by the recent advances in nonequilibrium processing, we propose and theoretically examine a diamond/c-BN HEMT that can circumvent the critical limitations. A first-principles calculation suggests the desired type-I alignment at the heterojunction of these two nearly lattice matched semiconductors. The investigation also illustrates that a large sheet carrier density in excess of $5 imes10^{12}~\mathrm{cm^{-2}}$ can be induced in the undoped diamond channel by the gate bias. A subsequent analysis of a simple prototype design indicates that the proposed device can achieve large current drive (~10 A/cm), low $R_{on}$ ($\sim 0.05 ~ \mathrm{m}Ω\cdot \mathrm{cm}^2$), and high $f_T$ (~300 GHz) simultaneously.

연구 동기 및 목표

• 높은 기증자 이온화 에너지와 낮은 용해도로 인해 오랫동안 해결되지 않은 다이아몬드의 n형 도핑 문제를 해결한다.
• 다이아몬드/c-BN 이종구조가 고이동도, 고전력, 고주파수 장치의 해결책이 될 잠재력을 탐색한다.
• 다이아몬드/c-BN HEMT의 구조적 설계가 초우아한 전력 장치 성능을 달성할 수 있는지 이론적으로 평가한다.
• 이 새로운 이종구조에서 HEMT 작동에 핵심적인 밴드 정렬과 전하 운반체 이동 특성을 평가한다.
• c-BN 봉우리에 의한 도핑 조절이 도핑되지 않은 다이아몬드 채널에서 높은 표면 전하 밀도를 가능하게 할 수 있는지 확인한다.

제안 방법

• QUANTUM ESPRESSO를 사용하여 다이아몬드/c-BN (111) 표면의 밴드 오프셋을 결정하기 위해 처음으로 원자적 수준의 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 가속도 밴드 오프셋(ΔEV)은 1.4 eV(부피 차이)에 더하여 ΔV ≈ -0.9 ~ -1.0 eV(표면 잠재력 보정)를 고려하여 ΔEV ≈ 0.5 eV 및 ΔEC ≈ 0.5 eV로 도출되었다.
• 기부자 이온화의 불완전성을 고려한 포isson 시뮬레이터를 사용하여 도체 밴드 프로파일을 모델링하여, 게이트 전압이 0일 때도 다이아몬드에서 2차원 전자기화가 형성됨을 보였다.
• 1차원 포아송 방정식과 전류 밀도 방정식을 기반으로 한 전하 제어 모델을 적용하여 I_ds-V_ds 및 I_ds-V_gs 특성을 시뮬레이션하였다.
• 고전계에서의 이동도 열화 모델(에프크리티컬 = 10 kV/cm)을 적용하고 선형 및 포화 영역에서의 드레인 전류를 유도하였다.
• g_m과 부속용량(C_gs, C_gd)을 사용하여 f_T를 g_m / (2π(C_gs + C_gd)) 방식으로 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이아몬드/c-BN 이종접합에서 효과적인 도핑 조절이 가능한 유형-I 밴드 정렬이 달성될 수 있는가?
• RQ2 게이트 전압 조건에서 도핑되지 않은 다이아몬드 채널의 예상 표면 전하 밀도는 얼마이며, 5×10¹² cm⁻²를 초과할 수 있는가?
• RQ3 다이아몬드/c-BN HEMT는 차세대 전력 장치에 요구되는 저 R_on, 고전류 구동 능력, 고 f_T를 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ4 게이트 전압은 다이아몬드 채널의 2차원 전자기화 밀도를 어떻게 조절하며, 임계 전압은 얼마인가?
• RQ5 제안된 장치의 유일득이익 절단 주파수(f_T)와 전도도(g_m)는 추정되는가?

주요 결과

• 처음으로 원자적 수준의 DFT 계산을 통해 다이아몬드/c-BN (111) 표면에서 약 0.5 eV의 가속도 밴드 오프셋과 0.5 eV의 도체 밴드 오프셋을 가지는 유형-I 밴드 정렬이 예측되었다.
• 게이트 전압 조건에서 도핑되지 않은 다이아몬드 채널의 2차원 전자기화는 5×10¹² cm⁻²를 초과하는 표면 전하 밀도를 확보하여 고전류 구동 능력을 가능하게 하였다.
• 프로토타입 장치 모델은 10 A/cm 이상의 피크 드레인 전류를 예측하여 GaN/AlGaN HEMT 수준의 성능을 확보함을 시사하였다.
• 특성 온 저항(R_on)은 0.05 mΩ·cm²로 추정되어 GaN 및 SiC 장치 대비 두 배수의 향상 수준을 나타낸다.
• V_gs = 2 V에서 피크 전도도(g_m)는 580 mS/mm에 도달하여 강력한 게이트 제어력과 고이득 능력을 보였다.
• 유일득이익 절단 주파수(f_T)는 약 280 GHz로 추정되어 장치가 밀리미터파 영역에 속하며 고주파수 작동이 가능함을 입증하였다.