본 논문에서는 먼저 내부에 결함이 존재하지 않는 이상적인 상태의 GaN MOSFET을 시뮬레이션으로 구현한 뒤, 실제 MOS 구조의 소자에서 측정된 게이트 산화물과 GaN 계면의 트랩 분포를 도입하여 GaN MOSFET의 전류 특성이 어떻게 변화하는지를 분석하였다. 또한 GaN 벌크 영역에 존재하는 트랩 분포도 적용해보았다.
시뮬레이션으로 구현한 소자는 총 3개로, 구조 Ⅰ은 실리콘으로 자동 도핑된 0.7 μm 두께의 p-GaN 위에 소스/드레인 영역에 알루미늄을 쇼트키 전극으로 사용한 SB-MOSFET 구조에 Au가 게이트 금속으로 사용된 구조이고, 구조 Ⅱ는 도핑을 하지 않은 반절연 상태의 GaN에 소스/드레인 영역으로는 ITO 쇼트키 전극이, 게이트 금속으로는 Ni/Au가 사용된 SB-MOSFET이며, 구조 Ⅲ은 반절연 상태의 GaN에 소스/드레인 부분을 30 nm 깊이로 식각한 뒤 식각된 부분에 n+-GaN을 다시 성장시키고 그 위에 Ti/Al/Ni/Au를 이용한 오믹 접합으로 형성하고 게이트 금속으로는 Ni/Au를 증착시켜 제작한 MOSFET이다.
트랩이 없을 경우 위 세 가지 구조의 문턱전압은 각각 1.6 V, 1.5 V, 1.5 V의 값을 나타내었고 SS를 구한 값은 70 mV/dec, 100 mV/dec, 100 mV/dec로 거의 이상적인 값들을 나타내었다. 또한 온/오프 전류비는 약 10배 이상의 차이가 나는 것이 확인되었다.
GaN 벌크 영역에 트랩 분포를 정의하여 시뮬레이션에 적용했을 때의 결과는 문턱전압이 각각 2.5 V, 2 V, 1.5 V로 구조 Ⅲ을 제외한 나머지 두 구조에서 값이 증가하는 것을 관찰하였고 SS는 각각 400 mV/dec, 100 mV/dec, 100 mV/dec의 값을 나타내었다. 특히 구조 Ⅰ에서 스윙의 큰 변화를 관찰할 수 있었는데, 이는 실제 스윙의 값(350 mV/dec)과 유사한 값이었다. 이 결과에서 트랩의 분포를 조정해보았는데 이 때 전도대에서의 트랩 농도와 가우시안 분포의 너비에 따라 스윙의 값을 조정할 수 있음을 확인하였다. 구조 Ⅱ와 Ⅲ의 경우, 시뮬레이션 결과와 실험 결과와의 차이의 가장 큰 원인은 홀 측정을 통해 추출된 도핑을 하지 않은 GaN 층의 캐리어 농도가 시뮬레이션에 적용되는 도핑에 의한 캐리어 농도와는 달리 실제 소자에서는 다른 방식으로 전기적 특성에 영향을 주기 때문인 것으로 생각된다. 실제 캐리어 농도의 측정값이 있지만, 도핑을 하지 않은 상태에서 존재하는 전자 농도를 시뮬레이션으로 구현하는 것은 단순히 물질 내의 도핑 농도를 지정하는 것과는 다른 경우이므로 시뮬레이션 상에 최적화한 농도(1014 cm-3)로 시뮬레이션을 진행하였는데, 이 경우 GaN의 페르미 레벨이 전도대보다 겨우 0.26 eV 아래에 있으므로 그보다 아래에 위치한 트랩들은 이미 전자에 의해 차있는 상태이므로 트랩으로써의 작용을 하지 못하는 것으로 생각된다. 이 문제를 해결하고자 GaN의 진성 반도체 상태의 전자 농도(1.9×10-10 cm-3)까지 전자 농도를 낮추어서 시뮬레이션을 시도하였지만 1014 cm-3의 경우와 온/오프 상태에서의 전류값의 차이가 거의 없었다. 이 경우는 트랩의 분포 함수를 더 정확히 조정해보는 것이 필요할 것으로 생각된다.
게이트 산화물과 GaN 사이 계면에만 트랩 분포를 적용했을 경우는 문턱전압이 각각 4.5 V, 2.2 V, 3.5 V로 세 경우 모두 증가한 모습을 보였다. 스윙은 각각 200 mV/dec, 100 mV/dec, 100 mV/dec로 나타났다.
GaN 층과 계면 모두에 트랩 분포를 적용했을 때의 시뮬레이션 결과는 문턱전압은 2.5 V, 2.5 V, 5.5 V로, 스윙은 400 mV/dec, 100mV/dec, 350 mV/dec로 각각 나타났다.
시뮬레이션 결과 p형 바디를 가진 구조 Ⅰ의 문턱전압이 트랩이 계면에 위치할 때 트랩에 의한 영향을 가장 많이 받는다는 것을 알 수 있었고, 실제 결과와 가장 비슷한 결과를 도출할 수 있었다. GaN 벌크과 계면 모두에 트랩이 위치할 때는 구조 Ⅲ의 문턱전압이 가장 크게 증가함을 볼 수 있었다.
마지막으로 GaN의 결정 구조에서 갈륨 원자가 비어있는 상태에 의한 영향으로 나타나는 세 가지 종류의 트랩 준위들을 각각의 구조에 적용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 하나의 트랩 준위만 넣은 경우보다 세 가지의 트랩 준위가 다 적용되었을 때 문턱전압 이후의 전류값이 작아지는 것과 각각의 트랩의 농도를 크게 함에 따라 문턱전압 이후의 전류가 더 크게 영향을 받아 줄어드는 것을 관찰할 수 있었지만, 이 경우는 문턱 전압의 크기 변화에는 거의 영향을 미치지 못하였다.