[한글번역]Multiphoton Absorption in Gallium Nitride and Silicon Carbide Photodiodes: Applications for Single-Event Effects Tests

A. Bourgine  , D. Lagarde, S. Dubos, J. Guillermin  , N. Chatry, C. Chatry, M. Mauguet  , and X. Marie

 

A. Bourgine, D. Lagarde, and X. Marie are with the Laboratoire de Physique et  Chimie  des  Nano Objets,  Institut  National  des  Sciences  Appliquées  de Toulouse, UMR 5215 CNRS-INSA-UPS, 31077 Toulouse, France (e-mail: a_bourgi@insa-toulouse.fr).
S. Dubos, J. Guillermin, N. Chatry, and C. Chatry are with TRAD Tests and Radiations, 31670 Labège Cedex, France.
M. Mauguet was with TRAD Tests and Radiations, 31670 Labège Cedex, France.  He  is  now  with  Direction  Générale  de  l’Armement  Techniques Aéronautique, 31130 Balma, France

https://doi.org/10.1109/TNS.2023.3277579.

 

초록 (Abstract)

우리는 갈륨 나이트라이드(GaN) 및 실리콘 카바이드(SiC) 포토다이오드에서 다광자 흡수(multiphoton absorption) 현상에 대해 조사하였다. 파장 조절이 가능한 펨토초 레이저 체인을 사용함으로써, 최대 세 개의 광자를 흡수하는 메커니즘이 두 소재 모두에서 관찰되었다. 이 결과는 상용 GaN 고전자이동 트랜지스터(HEMT)에 대한 단일이벤트효과(SEE) 연구에 적용되었다. 우리는 레이저 빔을 실리콘 기판을 관통해 조사함으로써 GaN 층 내에서 3광자 흡수로 생성된 전하를 수집하고, 단일 이벤트 트랜지언트(SET)를 유도할 수 있었다.

핵심 용어: GaN, HEMT, 다광자 흡수, 펄스 레이저, SiC, 단일이벤트효과(SEE)

 

I. 서론 (Introduction)

펄스 레이저는 수십 년간 실리콘(Si) 소자에서 단일이벤트효과(SEE)를 조사하는 데 사용되어 왔다 [1], [2]. 한편, GaN과 SiC 소재는 전력 소자 및 고주파 트랜지스터에의 우주 산업 응용 가능성으로 인해 점점 더 주목받고 있다 [3]. 이 새로운 소재들의 특성과 제조 공정의 성숙도가 낮다는 점은 레이저 시험에서 여러 과제를 초래하였다. 그 중 하나는, 대부분의 GaN과 SiC 소자들이 자체 기판이 아닌 실리콘 기판 위에 성장된다는 점이다. 또한, 레이저 테스트는 대부분 패키징된 소자의 뒷면(decap) 처리를 필요로 하는데, 이는 앞면에 위치한 금속층이 광 펄스를 차단하기 때문이다. 이러한 문제는 비선형 다광자 흡수 현상을 이용하여 해결할 수 있다. 이 방법은 이미 실리콘 소자에 적용된 바 있다 [4], [5], [6]. 이 개념은 HEMT 시험에도 확장 가능하다. 실리콘 기판을 투과할 수 있는 파장(일반적으로 λ ≥ 1060 nm)을 선택하고, GaN의 활성층에서 다광자 흡수를 통해 전하를 생성하는 것이다. 지금까지도 GaN [7] 및 SiC [8], [9], [10], [11] 소자를 대상으로 다광자 흡수를 활용한 시험은 일부 수행된 바 있지만, 광생성 효율이나 고차(高次) 흡수 프로세스의 잠재적 이점을 분석한 연구는 드물었다. 이에 우리는 GaN 및 SiC 포토다이오드에서 기초적인 다광자 흡수 실험을 수행하고, 이 소재들에서 다광자 흡수가 일어날 수 있는 조건을 분석하여, 이를 GaN HEMT 시험에 적용하였다. 파장 조절이 가능한 펨토초 레이저 체인을 사용함으로써, 우리는 GaN 및 SiC 포토다이오드의 비선형 흡수 현상을 정밀하게 분석하고, 이 결과를 HEMT 소자의 SEE 평가에 효과적으로 활용하였다.

 

II. 실험 구성 (Experimental Setup)

그림 1(a)는 본 연구에서 사용된 광학 실험 구성을 보여준다. 광원은 1030 nm의 모드 록 레이저(mode-locked laser)이며, 130 fs의 펄스 폭을 갖고 단일 펄스에서 최대 100 kHz까지 반복률 조절이 가능하다. 이 광원은 두 단계 주파수 이중화(two frequency-doubling stages)를 갖춘 광파라메트릭 증폭기(OPA)를 펌핑하며, 이를 통해 210 nm에서 2600 nm까지 1 nm 단위로 파장을 조절할 수 있다. 다만, 자외선(UV) 영역에서는 시스템 최적화가 부족하여, 실험에서의 최소 파장은 보통 400 nm이다.

출력 광의 세기는 밀도 휠(density wheel)을 통한 조잡 조절(coarse tuning)과 λ/2 파장판과 편광자(polarizer)를 통한 정밀 조절을 통해 제어된다. 본 시스템은 0.2~120 nJ/pulse 범위의 펄스 에너지를 샘플에 조사할 수 있다(λ = 1000 nm 기준). 가시광 및 근적외선(NIR) 이미징 시스템이 사용되어 빔의 위치와 초점을 샘플에 맞춰 모니터링하며, 사용된 렌즈는 MITUTOYO의 NIR ×50, NIR ×100, 가시광 ×50 아포크로매트 대물렌즈이다.

스팟 크기는 나이프 엣지(knif-edge) 방식, 펄스 지속 시간은 **sech² 방식의 자동 상관기(autocorrelator)**로 측정하였다. 예를 들어, 600 nm 파장에서 NIR ×50 렌즈 사용 시 빔은 1.8 × 1.7 μm의 타원형 형태, 1100 nm에서는 2.3 × 2.7 μm, NIR ×100 렌즈 사용 시 약 2.0 × 1.9 μm이다. 전 파장 영역에서 펄스 지속 시간은 약 250 fs로 유지되었으며, 레이저 반복률은 100 Hz로 고정되었다.

전기적 측정 시스템은 [그림 1(b), 1(c)]와 같이 구성되었다. 2 GHz 대역폭 오실로스코프를 사용하여 SET 파형을 기록하고, **2개의 소스 측정 유닛(SMU)**이 전원을 공급한다. SMU 중 하나는 HEMT 게이트 및 포토다이오드 전원용 저전압, 다른 하나는 HEMT 드레인용 고전압 출력을 제공한다. SMA 커넥터와 결합된 오실로스코프는 0.5 ns의 시간 해상도를 가지며, 최대 20 GS/s 샘플링 속도로 50 ps 해상도의 등가 시간 샘플링 모드로도 운영된다.

Fig. 1. (a) Sketch of the optical setup. (b) Electrical diagram of photodiode test boards. C₁ and C₂ are the decoupling capacitors of 10 and 100 nF, respectively. Transient voltage drops are measured at RLoad. RLoad is 50  for the SiC photodiode and 1.35 M for the GaN photodiode (corresponding to TIA internal resistance). (c) Electrical diagram of the board used for GaN HEMT testing. Gate and drain transients are monitored on the scope at V_Gate and V_Drain.

 

포토다이오드 실험에는 SGLUX사의 4H-SiC 타입 SG01M-18 모델이 사용되었고, 그림 2(a)에 가시광 카메라로 촬영한 상면(top view) 이미지가 제시된다. 이 다이오드는 수직 구조로, 활성 영역은 벌크 재질 상부에 배치된 금속 접점으로 둘러싸여 있으며, 다른 접점은 SiC 벌크 하부에 있다. GaN 포토다이오드는 GENICOM의 GUVA-T21GH 모델로 내장형 트랜스임피던스 증폭기(TIA)가 포함되어 있다. TIA는 5.5 V로 바이어스되어 출력 신호를 증폭, 광생성된 전하에 의한 전압 강하를 오실로스코프로 측정하여 SET 파형을 추출한다. GaN 포토다이오드는 간단한 전처리(상단 유리 제거 및 테스트 보드에 부착)만으로 사용되었다.

HEMT 시험에는 INFINEON사의 IGT60R190D1SATMA 및 GAN SYSTEM사의 GS66508P-E05-MR이 사용되었다. 이 소자들은 후면 패키지를 제거하고 실리콘 기판을 약 150 μm로 박리(thinning)하였다. 테스트 전에는 채널 스위칭이 정상 작동하는지 검증되었으며, 시험 중에는 드레인 전압 300 V, 게이트 전압 0 V 또는 그 이하로 OFF 상태 유지하였다.

수집된 전하량은 SET 전류를 시간에 따라 적분하여 계산하였다. 에너지 스캔 실험에서 각 데이터 포인트마다 100개의 트랜지언트 파형을 수집하여 평균 전하량을 계산하였으며, 누적 열 효과를 피하기 위해 100 Hz 반복률로 레이저를 조사하였다.

 

Fig. 2. (a) Top view of SiC photodiode (×10 magnification). Inset: typical transient (λ = 650 nm, 9.7 nJ/pulse). GaN devices have a similar topology, except for a shorter contact side length of 200 µm. Optical imaging (×10 magnification) pictures of (b) cross section of SiC photodiode and (c) cross section of GaN photodiode. This picture is evidence that the GaN top layer is grown on a buffer layer of 15 µm to accommodate lattice mismatch from the Si substrate. Cross sections were obtained by cutting samples with a diamond saw wire followed by a mechanical polishing.

 

 

III. 시뮬레이션 모델 (Simulation Model)

레이저 매개변수가 광생성 및 전하 수집에 미치는 영향을 이해하기 위해, 우리는 간단한 흡수 시뮬레이션 모델을 SiC를 기준으로 구현하였다. 이 모델은 문헌 [4]에서 제시된 비분산 매질 내에서 초점된 가우시안 레이저 빔의 공간 프로파일을 기반으로 한다. 펄스 세기는 다음과 같이 정의된다:

여기서:

• τ는 펄스 지속 시간 (FWHM),
• ω(z)는 z축을 따라 I₀/e² 수준의 빔 반경,
• ω₀는 초점 지점에서의 빔 반경이다.

1광자 흡수(1PA)는 광자의 에너지가 소재의 밴드갭 이상일 경우에 발생한다. 광의 세기 감소 및 광생성 속도는 다음과 같이 표현된다:

여기서:

• α는 흡수계수,
• σ는 자유전자흡수(FCA) 단면적,
• N_FCA는 자유전하 밀도,
• N(r,z, t) 는 carrier density photogeneration rate

다광자 흡수(nPA) 조건에서는 위 식이 다음과 같이 일반화된다:

여기서:

• n은 흡수된 광자의 수,
• β_n은 n차 다광자 흡수 계수이다.

주어진 흡수 과정이 다른 과정들에 비해 우세하다면 (이는 파장과 펄스 에너지에 따라 달라짐), 그 과정에서 광여기에 의해 생성된 캐리어 밀도는 광 세기의 n제곱에 비례하게 된다.

 

식 (4)가 성립하려면, FCA(Free Carrier Absorption, 자유 캐리어 흡수)가 지나치게 두드러지지 않아야 한다. 왜냐하면 FCA는 캐리어 생성에는 기여하지 않지만, 전파 축을 따라 광 세기를 감소시키기 때문다【4】.

광생성 전하량은 빛의 피크 파워 (E/τ)의 n제곱에 비례하며, 이를 공간적으로 적분하면 다음과 같다:

 

전하 수집 효율(η)을 반영하면:

이때 η는 트랩 손실 및 재결합 손실을 보정하는 경험적 계수이다.

시편들은 폭이 25 µm인 2차원 슬랩 형태의 재료로 모델링되었으며, 이는 빔 강도의 반경 방향 프로파일 대부분을 포함하기에 충분하다.
SiC 포토다이오드의 경우, 1광자 흡수(1PA) 계수는 [13], 2광자(2PA) 및 3광자(3PA) 흡수 계수는 [14], FCA(자유 캐리어 흡수) 계수는 [12], 굴절률은 [15]에서 가져왔다.

그림 3은 SiC SG01M-18 포토다이오드에서 2PA에 의해 광여기로 생성된 캐리어의 시뮬레이션된 밀도 분포를 나타낸다. 초점 깊이가 10 µm, 빔 스폿 크기가 1.8 µm, 파장이 λ = 650 nm일 때, 광여기로 생성된 캐리어 밀도의 대부분이 광축 주변, 초점 깊이 부근의 제한된 감지 부피에 포함됨을 확인했다.이 조건에서는 SiC에서 생성된 거의 모든 광여기 캐리어를 고려할 수 있으므로, 이후 계산에 사용할 모델이 타당함을 확인할 수 있다. 다만, 이 모델은 주로 전하 수집(charge collection) 추정을 위해 설계된 것이므로, 펄스 지속 시간 동안 자유 캐리어 밀도의 변화나 자유 캐리어 밀도에 따른 자유 캐리어 단면적의 변화와 같은 현상은 고려되지 않았습니다. 따라서 캐리어 광여기 과정 자체의 정밀한 추적, 특히 캐리어 밀도의 시간 변화를 분석하는 데는 적합하지 않다. 시뮬레이션 결과는 IV-A 절에서 제시된다.

Fig. 3. Simulated profile of carrier density photogenerated by a 2PA process in a SiC slab of dimension 25 µm (width) × 140 µm (thickness). The simulation was conducted with the following parameters: E_pulse = 5 nJ, λ = 650 nm, focus depth =10 µm, and pulse duration = 250 fs.

 

IV. 결과 및 분석 (Results and Discussion)

A. GaN 및 SiC 포토다이오드

모든 포토다이오드 실험은 상면(Topside) 테스트 방식으로 수행하였다. 그림 4는 SiC 포토다이오드에 대해 서로 다른 여기(Excitation) 파장에서 펄스 에너지에 따른 수집 전하량을 나타낸다. 실험 결과(원 표시)는 시뮬레이션된 펄스 에너지 스캔(실선)과 맞추어 보았으며, 이에 대한 피팅 과정은 본 절에서 더 자세히 다룬다. UV 영역에 최적화되지 않은 광학 셋업 때문에 1광자 흡수(1PA) 에너지 스캔은 수행할 수 없었다. 650 nm와 850 nm에서 각각 2광자(2PA)와 3광자(3PA) 의존성이 명확하게 관찰된다.

1100 nm에서 단항식(Monomial) 피팅의 불일치는 혼합 흡수 과정에 기인하며, 예를 들어 캐리어의 장수명 상태(Long-lived states)로 작용하는 깊은 준위 결함이 존재해 트랩 보조 흡수(Trap-assisted absorption)를 유도할 수 있다 [16]. 특히 1100 nm 여기에서는 순수한 4광자 흡수(4PA)보다는 3PA 트랩 보조 캐리어 생성의 비영(Nonzero) 기여가 존재할 가능성이 높다. 이는 다중 광자 흡수 과정들이 서로 경쟁하고 중첩되기 때문이다. 또한, FCA(자유 캐리어 흡수)는 특히 장파장 영역에서 FCA 계수가 증가하기 때문에 광여기 효율을 저하시킬 수 있다 [12]. 세 가지 메커니즘 모두에서 수집 전하량이 비슷한 수준임이 눈에 띄며, 이는 n > 2인 경우에도 다중 광자 흡수 과정이 SEE(단일 사건 효과) 테스트에 유효한 기법 후보임을 시사한다. 다만, SiC에서 의미 있는 nPA를 유도하기 위해 필요한 높은 펄스 에너지는 광학적 손상을 초래할 수 있으며, 이는 SEE 연구에 부정적 영향을 미칠 수 있다. 펨토초 레이저(150–200 fs)와 높은 개구수(NA > 0.25) 오브젝티브를 사용했을 때, SiC의 손상 임계값은 도핑에 따라 약 5 J/cm²로 측정되었다 [17]. 그림 4의 실험에서 사용된 플루언스는 0.02~2.0 J/cm²로, 이는 손상 임계값보다 낮다. 그러나 플루언스가 2.0 J/cm²를 초과하면 SiC 포토다이오드 표면에서 구조적 손상이 실제로 관찰되었으며, 이는 기존 펨토초 영역 SiC 손상 임계값 측정 결과와 일치한다. 따라서 2.0 J/cm² 이하의 플루언스는 구조적 손상 없이 SiC 소자에서 nPA를 유도하는 데 적합하다.

 

Fig. 4. Collected charge as a function of pulse energy in SiC, at different wavelengths. Fits are proportional to (E/τ )ⁿ , with n the number of absorbed photons.

 

III장에서 소개한 모델을 이용해 SiC에 대한 펄스 에너지 스캔 시뮬레이션을 수행하였으며, 목표는 측정 데이터와 모델 계산으로 얻은 전하량을 피팅하여 nPA 계수를 추출하는 것이다. 첫 단계로 소자의 전하 수집 효율(Collection efficiency)을 결정하였다.
이를 위해 문헌에서 얻은 2PA 계수(β)를 적용하고, 데이터셋에 맞추기 위해 모델 내 수집 효율 값을 조정하였다. 이 파장 범위에서는 1PA 기여가 무시 가능하다고 보았으며, βλ=650 nm = 0.09 cm/GW를 사용했을 때 수집 효율은 22%로 계산되었다. 수집 효율에 대한 자세한 논의는 [18]에 있으며, 본문에서는 다루지 않는다. 포토여기 과정의 종류에 따라 수집 효율이 변하지 않는다고 가정하여, 3PA(γ) 및 4PA(δ) 계수 피팅에도 동일 값을 적용하였다. 결과는 표 I에 요약되어 있다.

 

추출된 3PA 계수는 문헌 값과 매우 근접하여, 사용한 모델이 실험에 적합함을 입증한다. 4PA 계수에 대해서는 참고 문헌이 없어, 본 연구에서 얻은 값이 향후 연구의 출발점이 될 수 있다. 다만, 1100 nm 파장에서의 메커니즘을 확정하기는 어렵고, 3PA와 4PA가 혼합되어 발생할 가능성이 높다. GaN 포토다이오드의 경우, 매우 낮은 펄스 에너지(파장에 따라 약 2 nJ)에서 이미 광학적 손상 임계값에 도달하여, nPA 계수를 유의미하게 피팅하는 것이 불가능하였다. 스폿 크기 1.8 µm, 2 nJ/pulse 에너지 조건에서 측정한 손상 임계 플루언스는 0.08 J/cm²로, 이는 문헌에 보고된 펨토초 여기 손상 임계값 범위보다 약간 낮다 [19], [20], [21]. 이러한 임계값은 재료 품질에 크게 의존하며, 본 실험에서 사용한 GaN 포토다이오드의 품질이 높지 않다고 판단된다. 이는 SiC 포토다이오드에 비해 GaN 포토다이오드에서 수집 전하량이 매우 낮았다는 결과와도 일치한다.

그림 5는 GaN의 여기 파장에 따른 수집 전하량을 보여준다. 수집 효율이 파장에 의존하지 않는다고 가정하면, 수집 전하량은 재료의 흡수율에 비례한다.

• 첫 번째 스캔(노란색): 420 - 900 nm 범위, 시료에 입사되는 펄스 에너지 1 nJ/pulse 로 설정.
  420 - 500 nm 구간에서 수집 전하량은 1 pC 미만으로, 다른 구간에 비해 낮았다.
  520 nm에서 수집 전하량이 3배 증가하며, 이는 광여기 효율 증가에 해당한다.
  520~700 nm에서는 전하량이 거의 일정하며, 700 nm 이상에서 감소한다.
• 두 번째 스캔(빨간색): 620 - 1100 nm 범위, 2 nJ/pulse로 설정.
  620- 720 nm 구간에서 전하량이 빠르게 감소한 뒤, 720 - 1020 nm에서 plateau를 형성하고, 1040 nm 이상에서는 0 pC에 가깝게 떨어진다.

그림 5는 파장에 따른 광여기 메커니즘을 보여준다. 1 nJ 스캔에서 520~700 nm 구간의 높은 효율은 2PA 과정에 해당하며, GaN 소자에서 이와 같은 고에너지 쪽으로의 2PA 이동은 이미 보고된 바 있다 [16], [22], [23]. 이 현상은 “옐로 루미네선스(Yellow luminescence)” [24], [25], [26]로 설명되며, 밴드갭 중앙의 가상 전자 상태를 통한 순수 2PA보다 중간 깊은 준위 트랩을 거치는 전이가 훨씬 더 확률이 높아, 본 결과를 설명할 수 있다. 2 nJ 스캔에서는 같은 파장 범위에서 1 nJ 스캔과 비교해 720~1020 nm 구간에서 광여기 효율이 크게 증가하는 것이 관찰되었다. 이는 그림 5에서 제시한 것처럼 3광자 흡수(3PA) 과정을 지지하는 결과이다.

이 두 가지 스캔을 통해, 이 GaN 소재의 2PA 영역과 3PA 영역을 각각 520~700 nm와 720~1020 nm로 실험적으로 구분할 수 있었다.
다만, 720 nm 이하에서도 3PA의 기여가 있을 수 있지만, 해당 영역에서는 2PA가 우세하기 때문에 이를 구분해내기는 어렵다. 또한 2PA와 비교했을 때, 3PA의 최대값은 더 높은 에너지 쪽으로 이동하며, 이는 옐로 루미네선스(yellow luminescence)가 3PA 광여기 효율에도 영향을 줄 수 있음을 시사한다

Fig. 5. Collected charge as a function of wavelength and photon energy for two pulse energies in GaN. Vertical dashed lines denote multiples of bandgap where 2PA and 3PA can occur.

 

B. GaN HEMT의 백사이드 테스트

이 절에서는 GaN HEMT에서의 다중광자흡수(Multiphoton Absorption) 결과를 제시한다. 전면 금속층(Front-side metallization layers)을 피하기 위해, 레이저 빔은 백사이드(backside) 구성에서 기판을 통과해 소자의 GaN 채널 영역에 초점을 맞추었다. 레이저 파장은 광자가 활성층에 도달하기 전에 실리콘 기판에서 흡수되지 않도록 설정했으며, 조건은 대략 λ ≥ 1060 nm이다. 이 값은 기판 도핑, 버퍼층 조성 등에 따라 달라진다. 이 파장 범위에서, IV-A 절의 결과에 따르면 활성 GaN 층에서의 광여기 과정은 3PA 및/또는 4PA일 것으로 예상된다. 유사한 실험이 상용 GaN HEMT에서도 수행된 바 있으며, 유사 조건에서 발생한 광여기 전하는 3PA 과정으로 해석된 바 있다 [7].

그림 6(a)는 IGT60R190D1SATMA 소자에서, 1060 nm와 1300 nm 파장에서 32 nJ/pulse의 레이저로 기록한 단시간 스케일(수십 ns)의 SET 두 개를 보여준다. 펄스 에너지가 높음에도 진폭이 눈에 띄게 작으며, [7]에서 보고된 것처럼 SET 파형에 진동 성분이 중첩되어 있다. 신호 엔벌로프를 적분하면, 수집 전하량은 1060 nm에서 213 fC(빨간 곡선), 1300 nm에서 273 fC(파란 곡선)이다.

또한 [7], [27], [28]에서처럼 공간 의존성(spatial dependency)이 뚜렷하다. 레이저 빔 스폿을 게이트 근처에 맞출 때만 SET가 발생한다. SiC·GaN 포토다이오드와 마찬가지로, 스폿 크기를 2.0 µm로 가정하면 32 nJ/pulse의 플루언스는 약 1.0 J/cm²로, 기존 보고된 GaN 손상 임계값 범위에 해당한다. 그러나 백사이드 구성에서는 활성 영역이 Si 기판 아래에 있으므로, GaN 활성층 깊이에서의 실제 플루언스는 더 낮을 것으로 예상된다. 1300 nm 파장에서 Si 기판은 투명하지만, 기판과 GaN 활성층 사이에는 버퍼층이 존재해 광 반사·흡수가 일어나 플루언스를 줄일 수 있다. 이 때문에 GaN 포토다이오드 실험 때보다 높은 펄스 에너지를 사용하고도, 영상 관찰이나 게이트 누설 전류 측정에서 손상이 검출되지 않았을 가능성이 있다.

Fig. 6. (a) Short timescale SET observed on GaN HEMT’s gate at 32 nJ/pulse, with V_DS = 300 V and V_GS = −0.5 V. (b) Long SET observed on GaN HEMT’s gate, at 32 nJ/pulse and 1300 nm, with V_DS = 300 V and V_GS = 0 V. Inset shows the beginning of the long SET at a nanosecond scale. The voltage amplitude is higher for the short timescale due to the oscilloscope’s better temporal resolution in these conditions.

 

레이저 스폿을 민감 영역에 계속 맞추면, 짧은 시간 스케일의 SET와 중첩된 장시간 스케일(ms 단위)의 트랜지언트가 약 4000 펄스 후에 나타난다 [그림 6(b)]. 유사한 레이아웃의 GaN HEMT에서 1030 nm 레이저 여기 시에도 장시간 트랜지언트가 관찰된 바 있다.
당시에는 Si 기판에서의 1PA가 무시할 수 없었고, [7]에서는 이를 기판에서 버퍼층으로 캐리어가 확산되며 GaN 층에 변위 전류(displacement current)가 유도된 결과로 해석했다. 그러나 본 연구에서는 λ ≥ 1.1 µm를 사용하므로, Si 기판에서의 기생 광여기는 이번 결과의 원인이 아니다. IGT60R190D1SATMA에서의 결과는 동일한 5개의 샘플에서 재현되었다.

게이트 근처에서 관찰된 트랜지언트의 메커니즘을 분석하면 다음과 같다.

1. GaN 2차원 채널에서 전자 이동도가 높아, 광여기된 전자는 드레인으로 빠르게 수집되어 게이트 트랜지언트 전류에는 거의 기여하지 않는다.
2. 광흡수 효율이 낮고, 감쇠 시간이 긴 경우, 장시간 SET는 순수하게 광여기 캐리어만으로는 설명하기 어렵다.
   → 따라서 레이저 유도 게이트 누설 전류(laser-induced leakage current)의 기여를 고려해야 한다.

이를 뒷받침하는 관찰은 다음과 같다.

• 그림 7(c)에서, 게이트 근처에서 장시간 SET가 발생하면 정적 게이트 누설 전류가 계단형으로 증가한다.
• 레이저 스폿을 이동시키면 누설 전류가 감소하지만, 원래 값으로 돌아가지 않아 레이저 유도 영구 누설 경로가 형성되었음을 나타낸다.
• NIR 이미징 [그림 7(a), (b)]에서 손상이 확인된다.
• 동일 조건에서 바이어스를 걸지 않고 실험하면 물리적 손상이 나타나지 않아, 이는 광학 손상이 아니라 전기적으로 유도된 열화임이 확인된다.
  이 결과는 GS66508P-E05-MR 참조 소자 5개에서 재현되었다.

광여기로 가능한 양 이상의 전하 수집은 GaAs MESFET [29], 초점 X선 [28] 또는 중이온 조사 [30], [31] 실험에서도 보고된 바 있다.
제안된 메커니즘은 다음과 같다.

• 게이트 아래 층에 정공이 트랩되면 전위가 상승하고, 채널을 핀치온(pinch-on) 상태로 유지시켜 전류 흐름을 지속시킬 수 있다.
• 게이트 아래 정공의 반복 축적은 반복적인 게이트 스트레스를 유발해, AlGaN 및 p-GaN 층에 전도 경로를 형성한다.
• 이는 장시간 트랜지언트와 게이트 누설 전류 증가를 초래하며, 결국 소자가 규격을 벗어나게 한다.
  이러한 현상이 GaN HEMT에서 강한 공간 의존성을 보이는 이유는, 정공의 확산 길이가 매우 짧기(1 µm 이하) 때문일 수 있다 [32], [33].

마지막으로, 정공 축적은 등가 회로에 기생 커패시턴스를 추가해 RC 효과를 유도하고, 이로 인해 그림 6(a)에서 관찰된 단시간 SET의 진동이 설명될 수 있다.

이 효과는 레이저 테스트에만 국한된 것은 아니지만, 수 마이크로미터 수준의 공간 해상도가 필요하므로 중이온 실험에서는 관찰이 어려울 수 있다. 또한, 관찰된 열화를 선량 효과(dose effect)로 볼지, 순수한 SEE로 볼지는 명확하지 않다.

 

Fig. 7. NIR backside imaging of GaN metallization structures through silicon substrate for (a) pristine gate and field plate metalizations and (b) degradation on gate after laser-induced long transients. The metallization is damaged (red square) possibly due to repeated gate stress. (c) Evolution of reverse leakage current when long SETs are triggered on the GS66508P-E05-MR reference along a gate metallization. Red zones denote laser irradiation on the same spot near the gate metallization. Green zones denote moving the laser spot along the same metallization finger.

 

V. 요약 및 결론 (Summary and Conclusion)

본 연구에서는 상용 GaN 및 SiC 소자에서 각각 3PA와 4PA까지의 다중광자 흡수를 조사하였다. 그 결과, 기판 흡수가 문제가 되는 경우 n > 2인 다중광자 흡수도 상용 소자의 SEE(단일 사건 효과) 테스트에 효과적으로 사용할 수 있음을 확인하였다. 다만, 네이티브 기판(GaN-on-GaN, SiC-on-SiC) 위에 제작된 소자의 경우, 2PA를 이용해 SEE 테스트를 수행하는 것이 더 적합하다. 이는 동일한 양의 광여기 전하를 얻는 데 필요한 플루언스가 더 낮아 재료에 가해질 수 있는 광학적 손상 위험을 줄일 수 있기 때문이다. 또한 3PA에 비해 효율이 높은 2PA는 활성 영역의 수직 매핑(Z-profile)에도 더 유리하다 [27], [34]. 광여기 속도는 파장에 크게 의존하므로, 파장은 가장 중요한 매개변수로 남는다. 광여기 속도가 높아질수록 더 낮은 펄스 에너지와 플루언스로도 충분하며, 이는 광학적 손상 위험을 줄이는 장점이 있다. 또한 파장이 짧아지면 레이저 스폿 크기도 작아져 공간 해상도가 향상되며, 이는 특정 시험 유형에서 매우 중요한 요소가 될 수 있다. 따라서 재료 결함이 캐리어 광여기 및 수집에 미치는 영향을 완전히 이해하기 위해서는 보다 심층적인 연구가 필요하다. 본 연구 결과를 GaN HEMT 백사이드 테스트에 적용한 결과, 실리콘 기판을 통해 3PA 및 4PA 조건에서 SET를 유도할 수 있었다. 이 과정에서 단수명 및 장수명 SET가 모두 관찰되었다. 단시간 트랜지언트는 게이트 하부의 국소적인 캐리어 트래핑으로 인한 게이트 전류 누설과 관련이 있었다. 장시간 트랜지언트는 정공 축적으로 인해 발생하는 순방향 피크 전압 형태의 반복적인 게이트 스트레스가 절연층 내 전도 경로를 형성하면서 나타났을 가능성이 있다. 또한 본 연구에서는 레이저 테스트의 공간 해상도를 활용해 와이드 밴드갭 소자의 민감 영역을 시각적으로 확인할 수 있음을 보여주었다. 다중광자 흡수를 통해 GaN 재료 내부에서 전하를 효과적으로 광여기할 수 있는 레이저 테스트의 특성은, 향후 HEMT 열화 모드 분석, 특히 소자 사전 예비시험(early pretesting) 분야에서 매우 유망함을 입증한다.

 

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